JP6658501B2

JP6658501B2 - バッテリ充電回路

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Publication number: JP6658501B2
Application number: JP2016251947A
Authority: JP
Inventors: 雅西川原; 賢典清水; 利成深津
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2016-12-26
Filing date: 2016-12-26
Publication date: 2020-03-04
Anticipated expiration: 2036-12-26
Also published as: JP2018107900A

Description

本発明は、バッテリを電源として三相インバータにより駆動制御されるモータを備えたモータ駆動系におけるバッテリを充電するためのバッテリ充電回路に関するものである。

バッテリ充電回路が特許文献１に開示されており、これは、バッテリを電源として三相インバータにより駆動制御される三相モータを備えたモータ駆動系のバッテリ充電回路であり、三相インバータのうちの一相を構成する１組のスイッチング素子の接続点が単相出力の二次側出力端子に接続されている。そして、三相インバータのうちの、トランスに接続される一相を構成する１組のスイッチング素子をオフ状態に保持し、他の２組のスイッチング素子のうち少なくとも１組のスイッチング素子をオン・オフ制御することで、バッテリを充電することができる。ここで、三相インバータのうちの、トランスに接続されない二相を構成する２組のスイッチング素子を同期してオン・オフ制御することでもバッテリを充電することができる。

特開２０１１−２１１８８９号公報

ところで、三相インバータのうちのトランスに接続されない二相を構成する２組のスイッチング素子を同期してオン・オフ制御する場合においては、各相毎に電流センサをそれぞれ設けることが考えられる。しかし、オン・オフ制御する二相のうちの一相にしか電流センサが付いていない場合、各スイッチング素子におけるデットタイムの相間ばらつき等により、二相の電流を等しく制御できず、バッテリ充電電流に誤差が発生する。

本発明の目的は、バッテリ充電電流を精度良く制御することができるバッテリ充電回路を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、第一相の上アーム用の第１スイッチング素子、第一相の下アーム用の第２スイッチング素子、第二相の上アーム用の第３スイッチング素子、第二相の下アーム用の第４スイッチング素子、第三相の上アーム用の第５スイッチング素子、第三相の下アーム用の第６スイッチング素子を有する三相インバータにより、バッテリを電源として駆動制御される三相モータを備えたモータ駆動系のバッテリ充電回路であって、単相出力トランスと、前記単相出力トランスの二次側出力の一方の端子に接続されるとともに、前記三相インバータ及び前記バッテリに対して並列に接続されている整流回路と、前記三相インバータにおける前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との間の接続点を前記二次側出力の他方の端子に接続する配線と、充電時には前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子はオフ状態に保持し、前記第３スイッチング素子と前記第５スイッチング素子を同期してオン・オフ制御するとともに前記第４スイッチング素子と前記第６スイッチング素子を同期してオン・オフ制御する制御装置と、前記接続点と前記三相モータとの間に流れる電流を検出する電流センサと、を備え、前記制御装置は、充電開始前において、前記第２スイッチング素子を制御した状態における前記電流センサによる電流値を規定値にする前記第３スイッチング素子のオン・オフ制御による第１デューティと前記電流センサによる電流値を規定値にする前記第５スイッチング素子のオン・オフ制御による第２デューティ、及び、前記第１スイッチング素子を制御した状態における前記電流センサによる電流値を規定値にする前記第４スイッチング素子のオン・オフ制御による第３デューティと前記電流センサによる電流値を規定値にする前記第６スイッチング素子のオン・オフ制御による第４デューティを取得しておき、充電開始後において、前記第３スイッチング素子と前記第５スイッチング素子を前記第１デューティ及び前記第２デューティにより補正しながらオン・オフ制御するとともに、前記第４スイッチング素子と前記第６スイッチング素子を前記第３デューティ及び前記第４デューティにより補正しながらオン・オフ制御することを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、制御装置により、充電開始前において、第２スイッチング素子を制御した状態における電流センサによる電流値を規定値にする第３スイッチング素子のオン・オフ制御による第１デューティと電流センサによる電流値を規定値にする第５スイッチング素子のオン・オフ制御による第２デューティ、及び、第１スイッチング素子を制御した状態における電流センサによる電流値を規定値にする第４スイッチング素子のオン・オフ制御による第３デューティと電流センサによる電流値を規定値にする第６スイッチング素子のオン・オフ制御による第４デューティが取得される。そして、制御装置により、充電開始後において、第３スイッチング素子と第５スイッチング素子を第１デューティ及び第２デューティにより補正しながらオン・オフ制御されるとともに、第４スイッチング素子と第６スイッチング素子を第３デューティ及び第４デューティにより補正しながらオン・オフ制御される。その結果、バッテリ充電電流を精度良く制御することができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載のバッテリ充電回路において、前記制御装置は、充電開始前において、前記第２スイッチング素子を制御した状態における前記電流センサによる電流値を前記第１デューティを取得する際とは異なる規定値にする前記第３スイッチング素子のオン・オフ制御による第５デューティと前記電流センサによる電流値を前記第２デューティを取得する際とは異なる規定値にする前記第５スイッチング素子のオン・オフ制御による第６デューティ、及び、前記第１スイッチング素子を制御した状態における前記電流センサによる電流値を前記第３デューティを取得する際とは異なる規定値にする前記第４スイッチング素子のオン・オフ制御による第７デューティと前記電流センサによる電流値を前記第４デューティを取得する際とは異なる規定値にする前記第６スイッチング素子のオン・オフ制御による第８デューティを取得しておき、充電開始後において、前記第３スイッチング素子と前記第５スイッチング素子を前記第１デューティ、前記第２デューティ、前記第５デューティ、前記第６デューティにより補正しながらオン・オフ制御するとともに、前記第４スイッチング素子と前記第６スイッチング素子を前記第３デューティ、前記第４デューティ、前記第７デューティ、前記第８デューティにより補正しながらオン・オフ制御するとよい。

本発明によれば、バッテリ充電電流を精度良く制御することができる。

実施形態におけるバッテリフォークリフトの回路図。充電時における電流経路の説明図。充電時における電流経路の説明図。充電開始前における電流経路の説明図。充電開始前における電流経路の説明図。別例を説明するための電流指令値と補正値との関係を示す特性図。

以下、本発明をバッテリフォークリフトに具体化した一実施形態を図面にしたがって説明する。バッテリフォークリフトは、モータ駆動系として、バッテリを電源とするとともにインバータにより制御される走行用モータ及び荷役用モータを備えている。バッテリ充電回路は、構成部品として走行用モータ及び荷役用モータのコイルやインバータのスイッチング素子を利用している。

図１に示すように、バッテリフォークリフトは、車載装置１０を備えている。車載装置１０は、バッテリ３０を電源とする三相モータとしての走行用モータ１１及び荷役用モータ１７を備えている。走行用モータ１１とバッテリ３０との間には、三相インバータとしての走行用インバータ１２が備えられているとともに、荷役用モータ１７とバッテリ３０との間には三相インバータとしての荷役用インバータ１８が備えられている。

車載装置１０は、三相交流電源４０に接続される単相出力トランスとしてのスコットトランス１３を備えている。スコットトランス１３は、一次巻線１３ａ，１３ｂと二次巻線１３ｃ，１３ｄを有する。

インバータ１２，１８は、第一相としてのＶ相の上アーム用の第１スイッチング素子Ｑ１，Ｑ１１、Ｖ相の下アーム用の第２スイッチング素子Ｑ２，Ｑ１２を有する。インバータ１２，１８は、第二相としてのＷ相の上アーム用の第３スイッチング素子Ｑ３，Ｑ１３、Ｗ相の下アーム用の第４スイッチング素子Ｑ４，Ｑ１４を有する。インバータ１２，１８は、第三相としてのＵ相の上アーム用の第５スイッチング素子Ｑ５，Ｑ１５、Ｕ相の下アーム用の第６スイッチング素子Ｑ６，Ｑ１６を有する。インバータ１２，１８により、バッテリ３０を電源として駆動制御されるモータ１１，１７を備えたモータ駆動系のバッテリ充電回路となっている。

スコットトランス１３の一方の単相出力である二次巻線１３ｃには整流回路１４を介して走行用インバータ１２が接続され、走行用インバータ１２には、走行用モータ１１が接続されている。走行用モータ１１としては、コイル２３，２４，２５がデルタ結線されてなる三相交流モータが使用されている。スコットトランス１３の他方の単相出力である二次巻線１３ｄには整流回路１９を介して荷役用インバータ１８が接続され、荷役用インバータ１８には、荷役用モータ１７が接続されている。荷役用モータ１７としては、コイル２６，２７，２８がデルタ結線されてなる三相交流モータが使用されている。

整流回路１４は、２個のダイオードＤ１，Ｄ２の直列回路で構成され、両ダイオードＤ１，Ｄ２の中点にスコットトランス１３の一方の単相出力である二次巻線１３ｃの端子１５ａが接続されている。また、整流回路１４のプラス側はバッテリ３０の正極に接続され、整流回路１４のマイナス側はバッテリ３０の負極に接続されている。

走行用インバータ１２には、三相の上アーム用のスイッチング素子としての第１スイッチング素子Ｑ１、第３スイッチング素子Ｑ３、第５スイッチング素子Ｑ５と、下アーム用のスイッチング素子としての第２スイッチング素子Ｑ２、第４スイッチング素子Ｑ４、第６スイッチング素子Ｑ６とを備えた三相インバータが使用されている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６には、ＭＯＳＦＥＴが使用されている。第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２、第３スイッチング素子Ｑ３及び第４スイッチング素子Ｑ４、第５スイッチング素子Ｑ５及び第６スイッチング素子Ｑ６はそれぞれ直列に接続されている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５のドレインはそれぞれバッテリ３０の正極に接続されるとともに、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６のソースはそれぞれバッテリ３０の負極に接続されている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、それぞれ、ドレインとソース間に、逆並列に、即ちカソードがドレインにアノードがソースに対応する状態に接続された寄生ダイオードＤを有している。

第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２の中点である接続点Ａ（第１スイッチング素子Ｑ１のソースと第２スイッチング素子Ｑ２のドレインとの接続点）は、電流センサＳ１を介して走行用モータ１１のコイル２３とコイル２４との接続点に接続されている。第３スイッチング素子Ｑ３と第４スイッチング素子Ｑ４の中点（第３スイッチング素子Ｑ３のソースと第４スイッチング素子Ｑ４のドレインとの接続点）は、電流センサＳ２を介して走行用モータ１１のコイル２４とコイル２５との接続点に接続されている。

第５スイッチング素子Ｑ５と第６スイッチング素子Ｑ６の中点（第５スイッチング素子Ｑ５のソースと第６スイッチング素子Ｑ６のドレインとの接続点）は、走行用モータ１１のコイル２３とコイル２５との接続点に接続されている。また、第１スイッチング素子Ｑ１のソースと第２スイッチング素子Ｑ２のドレインとの接続点Ａは、配線２０により、スコットトランス１３の一方の単相出力である二次巻線１３ｃにおける整流回路１４が接続された端子１５ａと反対側の端子１５ｂに接続されている。

整流回路１９は、２個のダイオードＤ３，Ｄ４の直列回路で構成され、両ダイオードＤ３，Ｄ４の中点にスコットトランス１３の他方の単相出力である二次巻線１３ｄの端子１６ａが接続されている。また、整流回路１９のプラス側はバッテリ３０の正極に接続され、整流回路１９のマイナス側はバッテリ３０の負極に接続されている。

荷役用インバータ１８には、三相の上アーム用のスイッチング素子としての第１スイッチング素子Ｑ１１、第３スイッチング素子Ｑ１３、第５スイッチング素子Ｑ１５と、下アーム用のスイッチング素子としての第２スイッチング素子Ｑ１２、第４スイッチング素子Ｑ１４、第６スイッチング素子Ｑ１６とを備えた三相インバータが使用されている。各スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６には、ＭＯＳＦＥＴが使用されている。第１スイッチング素子Ｑ１１及び第２スイッチング素子Ｑ１２、第３スイッチング素子Ｑ１３及び第４スイッチング素子Ｑ１４、第５スイッチング素子Ｑ１５及び第６スイッチング素子Ｑ１６はそれぞれ直列に接続されている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５のドレインはそれぞれバッテリ３０の正極に接続されるとともに、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６のソースはそれぞれバッテリ３０の負極に接続されている。各スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６は、それぞれ、ドレインとソース間に、逆並列に、即ちカソードがドレインにアノードがソースに対応する状態に接続された寄生ダイオードＤを有している。

第１スイッチング素子Ｑ１１と第２スイッチング素子Ｑ１２の中点である接続点（第１スイッチング素子Ｑ１１のソースと第２スイッチング素子Ｑ１２のドレインとの接続点）Ｂは、電流センサＳ１１を介して荷役用モータ１７のコイル２６とコイル２７との接続点に接続されている。第３スイッチング素子Ｑ１３と第４スイッチング素子Ｑ１４の中点（第３スイッチング素子Ｑ１３のソースと第４スイッチング素子Ｑ１４のドレインとの接続点）は、電流センサＳ１２を介して荷役用モータ１７のコイル２７とコイル２８との接続点に接続されている。第５スイッチング素子Ｑ１５と第６スイッチング素子Ｑ１６の中点（第５スイッチング素子Ｑ１５のソースと第６スイッチング素子Ｑ１６のドレインとの接続点）は、荷役用モータ１７のコイル２６とコイル２８との接続点に接続されている。また、第１スイッチング素子Ｑ１１のソースと第２スイッチング素子Ｑ１２のドレインとの接続点Ｂは、配線２１により、スコットトランス１３の他方の単相出力である二次巻線１３ｄにおける整流回路１９が接続された端子１６ａと反対側の端子１６ｂに接続されている。

各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６，Ｑ１１〜Ｑ１６のゲートは、制御装置２２に接続されている。制御装置２２は、走行用モータ１１に流れる電流を検出する電流センサＳ１，Ｓ２および荷役用モータ１７に流れる電流を検出する電流センサＳ１１，Ｓ１２に接続されている。制御装置２２は、図示しないＣＰＵ及びメモリを備え、メモリには走行用モータ１１及び荷役用モータ１７を駆動するのに必要な制御プログラムが記憶されている。また、メモリにはスコットトランス１３を三相交流電源４０に接続した状態でバッテリ３０を充電する際に、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６，Ｑ１１〜Ｑ１６を制御するのに必要な制御プログラムが記憶されている。さらに、制御装置２２は、電流センサＳ１，Ｓ２，Ｓ１１，Ｓ１２から信号によりスコットトランス１３の二次電流（バッテリ３０の充電電流）を検知できるようになっている。

モータ駆動系のバッテリ充電回路はスコットトランス（単相出力トランス）１３を備える。モータ駆動系のバッテリ充電回路に備えられた整流回路１４，１９は、スコットトランス（単相出力トランス）１３の二次側出力の一方の端子１５ａ，１６ａに接続されるとともに、インバータ１２，１８及びバッテリ３０に対して並列に接続されている。モータ駆動系のバッテリ充電回路に備えられた電流センサＳ１，Ｓ１１は接続点Ａ，Ｂとモータ１１，１７との間に流れる電流を検出する。モータ駆動系のバッテリ充電回路に備えられた配線２０，２１は、インバータ１２，１８における第１スイッチング素子Ｑ１，Ｑ１１と第２スイッチング素子Ｑ２，Ｑ１２との間の接続点Ａ，Ｂを二次側出力の他方の端子１５ｂ，１６ｂに接続する。

次に、本実施形態の車載装置１０の作用について説明する。
バッテリフォークリフトは、バッテリ３０の充電時以外には、三相交流電源４０から切り離された状態に保持される。そして、制御装置２２の指令により走行用インバータ１２の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６がオン・オフ制御されることによりバッテリ３０の直流電力が交流電力に変換されて走行用モータ１１に供給され、走行用モータ１１が駆動される。また、制御装置２２の指令により荷役用インバータ１８の各スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６がオン・オフ制御されることによりバッテリ３０の直流電力が交流電力に変換されて荷役用モータ１７に供給され、荷役用モータ１７が駆動される。

車載装置１０を充電装置として用いる場合には、スコットトランス１３によって入力と出力が電気的に絶縁され、入力電力である交流電力を直流電力に電力変換して出力に接続された車載蓄電装置としてのバッテリ３０を充電する。

充電時には、モータ駆動系のバッテリ充電回路に備えられた制御装置２２は、図２，３に示すように、トランスに接続されない二相（Ｗ相、Ｕ相）を構成する２組のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４、Ｑ５，Ｑ６、Ｑ１３，Ｑ１４、Ｑ１５，Ｑ１６を同期してオン・オフ制御する。即ち、第１スイッチング素子Ｑ１，Ｑ１１と第２スイッチング素子Ｑ２，Ｑ１２はオフ状態に保持し、第３スイッチング素子Ｑ３，Ｑ１３と第５スイッチング素子Ｑ５，Ｑ１５を同期してオン・オフ制御するとともに第４スイッチング素子Ｑ４，Ｑ１４と第６スイッチング素子Ｑ６，Ｑ１６を同期してオン・オフ制御する。

詳しくは、バッテリ３０を充電する際は、スコットトランス１３に三相交流電源４０から交流電力が供給される状態に保持される。具体的には、フォークリフトに設けられた電源コンセントに、三相交流電源４０の充電ケーブルのプラグが接続される。そして、制御装置２２は、走行用インバータ１２及び荷役用インバータ１８のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ１１，Ｑ１２をオフ状態に保持し、第３スイッチング素子Ｑ３，Ｑ１３、第４スイッチング素子Ｑ４，Ｑ１４、第５スイッチング素子Ｑ５，Ｑ１５及び第６スイッチング素子Ｑ６，Ｑ１６をオン・オフ制御する。即ち、制御装置２２によるバッテリ３０の充電時にＰＷＭ制御される充電用の上アーム用のスイッチング素子と下アーム用のスイッチング素子はスイッチング素子Ｑ３，Ｑ１３、Ｑ４，Ｑ１４、Ｑ５，Ｑ１５、Ｑ６，Ｑ１６となる。また、制御装置２２によるバッテリ３０の充電時にＰＷＭ制御されない上アーム用のスイッチング素子と下アーム用のスイッチング素子はスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ１１，Ｑ１２となる。

そして、制御装置２２は、走行用インバータ１２及び荷役用インバータ１８における第３スイッチング素子Ｑ３，Ｑ１３、第４スイッチング素子Ｑ４，Ｑ１４、第５スイッチング素子Ｑ５，Ｑ１５及び第６スイッチング素子Ｑ６，Ｑ１６をスイッチングする。こうすることで、走行用モータ１１のコイル２３，２４及び荷役用モータ１７のコイル２６，２７を充電用インダクタとして用いてバッテリ３０を充電する。

バッテリ３０の充電時に車載装置１０を流れる電流の経路について、図２及び図３にしたがって説明する。なお、図２及び図３では、走行用インバータ１２のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６を制御してバッテリ３０を充電する際の電流経路について記載しているが、荷役用インバータ１８のスイッチング素子Ｑ１３，Ｑ１４，Ｑ１５，Ｑ１６を制御してバッテリ３０を充電する場合も、同様の経路となる。

図２に示すように、走行用インバータ１２側でスコットトランス１３の一方の二次巻線１３ｃの端子１５ａから電力が出力される状態で、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ５がオン状態、スイッチング素子Ｑ４，Ｑ６がオフ状態のときには、図２に破線で示すように電流が流れる。即ち、二次巻線１３ｃの端子１５ａ→ダイオードＤ１→第３スイッチング素子Ｑ３→走行用モータのコイル２４→二次巻線１３ｃの端子１５ｂの経路、及び、二次巻線１３ｃの端子１５ａ→ダイオードＤ１→第５スイッチング素子Ｑ５→走行用モータのコイル２３→二次巻線１３ｃの端子１５ｂの経路で電流が流れる。このとき、コイル２３，２４に電磁エネルギーが蓄積される。

そして、スイッチング素子Ｑ４，Ｑ６がオン状態になると、コイル２３，２４に蓄積された電磁エネルギーは、図２に一点鎖線で示す経路で流れる電流となる。即ち、走行用モータ１１のコイル２４→二次巻線１３ｃの端子１５ｂ→単相出力の１３ｃの端子１５ａ→ダイオードＤ１→バッテリ３０→第４スイッチング素子Ｑ４→走行用モータ１１のコイル２４の経路、及び、走行用モータ１１のコイル２３→二次巻線１３ｃの端子１５ｂ→単相出力の１３ｃの端子１５ａ→ダイオードＤ１→バッテリ３０→第６スイッチング素子Ｑ６→走行用モータ１１のコイル２３の経路で流れる電流となる。このとき、バッテリ３０が充電される。

図３に示すように、二次巻線１３ｃの端子１５ｂから電力が出力される状態で、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ５がオフ状態、スイッチング素子Ｑ４，Ｑ６がオン状態のときには、図３に破線の矢印で示すように電流が流れる。即ち、二次巻線１３ｃの端子１５ｂ→走行用モータ１１のコイル２４→第４スイッチング素子Ｑ４→ダイオードＤ２→一方の二次巻線１３ｃの端子１５ａの経路、及び、二次巻線１３ｃの端子１５ｂ→走行用モータ１１のコイル２３→第６スイッチング素子Ｑ６→ダイオードＤ２→一方の二次巻線１３ｃの端子１５ａの経路で電流が流れる。このとき、コイル２３，２４に電磁エネルギーが蓄積される。そして、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ５がオン状態になると、コイル２３，２４に蓄積された電磁エネルギーは、図３に一点鎖線の矢印で示す経路で流れる電流となる。即ち、走行用モータ１１のコイル２４→第３スイッチング素子Ｑ３→バッテリ３０→ダイオードＤ２→二次巻線１３ｃの端子１５ａ→二次巻線１３ｃの端子１５ｂ→走行用モータ１１のコイル２４の経路、及び、走行用モータ１１のコイル２３→第５スイッチング素子Ｑ５→バッテリ３０→ダイオードＤ２→二次巻線１３ｃの端子１５ａ→二次巻線１３ｃの端子１５ｂ→走行用モータ１１のコイル２３の経路で流れる電流となる。このとき、バッテリ３０が充電される。

充電時において、電流センサＳ２，Ｓ１２は、過電流等を検出する異常検出用センサとして使用される。また、充電時においては、電流センサＳ１，Ｓ１１も、過電流等を検出する異常検出用センサとして用いられる。

また、荷役用インバータ１８側においても走行用インバータ１２と同様にして充電が行われる。具体的には、走行用インバータ１２側における二次巻線１３ｃを二次巻線１３ｄに、端子１５ａ，１５ｂを端子１６ａ、１６ｂに、第３スイッチング素子Ｑ３を第３スイッチング素子Ｑ１３に、第４スイッチング素子Ｑ４を第４スイッチング素子Ｑ１４に、第５スイッチング素子Ｑ５を第５スイッチング素子Ｑ１５に、第６スイッチング素子Ｑ６を第６スイッチング素子Ｑ１６に、ダイオードＤ１，Ｄ２をダイオードＤ３，Ｄ４にそれぞれ置き換えればよい。

各相毎に電流センサをそれぞれ設けるのではなく、オン・オフ制御する二相（Ｗ相、Ｕ相）のうちの一相（Ｗ相）にしか電流センサが付いていない。
また、スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）Ｑ１〜Ｑ６，Ｑ１１〜Ｑ１６はデッドタイム、即ち、指令から実際に動作するまでの遅れ（ターンオン、ターンオフするまでの時間）が揃っておらずばらつきがあるので、そのばらつきを補正すべく、充電開始前には以下のような制御が行われる。

制御装置２２は、充電開始前において、図４，５に示すように、第２スイッチング素子Ｑ２を制御した状態における電流センサＳ１による電流値を規定値にする第３スイッチング素子Ｑ３のオン・オフ制御による第１デューティと電流センサＳ１による電流値を規定値にする第５スイッチング素子Ｑ５のオン・オフ制御による第２デューティ、及び、第１スイッチング素子Ｑ１を制御した状態における電流センサＳ１による電流値を規定値にする第４スイッチング素子Ｑ４のオン・オフ制御による第３デューティと電流センサＳ１による電流値を規定値にする第６スイッチング素子Ｑ６のオン・オフ制御による第４デューティを取得する。

また、荷役用インバータ１８側においても走行用インバータ１２と同様にして第１デューティ、第２デューティ、第３デューティ、第４デューティの取得が行われる。具体的には、走行用インバータ１２側における第１スイッチング素子Ｑ１を第１スイッチング素子Ｑ１１に、第２スイッチング素子Ｑ２を第２スイッチング素子Ｑ１２に、第３スイッチング素子Ｑ３を第３スイッチング素子Ｑ１３に、第４スイッチング素子Ｑ４を第４スイッチング素子Ｑ１４に、第５スイッチング素子Ｑ５を第５スイッチング素子Ｑ１５に、第６スイッチング素子Ｑ６を第６スイッチング素子Ｑ１６に、電流センサＳ１を電流センサＳ１１に、それぞれ置き換えればよい。

図４，５を用いて詳しく説明する。
充電開始前に、以下のパターン（図４の破線で示す通電経路、図４の一点鎖線で示す通電経路、図５の破線で示す通電経路、図５の一点鎖線で示す通電経路）で通電し、二相の電流を等しくするためのスイッチング素子のデューティ補正量を取得する。

パターン１として、Ｖ相下アーム用のスイッチング素子Ｑ２をオン状態で固定し、Ｗ相上アーム用のスイッチング素子Ｑ３をチョッパ制御する。電流経路は、図４の破線で示すように、バッテリ３０→スイッチング素子Ｑ３→コイル２４→スイッチング素子Ｑ２→バッテリ３０である。この際、Ｖ相の電流センサＳ１による検出電流値が規定値である＋α［Ａ］になるようにＷ相上アーム用のスイッチング素子Ｑ３をチョッパ制御する。なお、＋α［Ａ］の＋は電流の流れる方向を表している。この時のＷ相上アーム用のスイッチング素子Ｑ３のデューティを第１デューティ（ＤｕｔｙＷαｎ［％］）とする。

パターン２として、Ｖ相下アーム用のスイッチング素子Ｑ２をオン状態で固定し（パターン１での通電電流と同じにして）、Ｕ相上アーム用のスイッチング素子Ｑ５をチョッパ制御する。電流経路は、図４の一点鎖線で示すように、バッテリ３０→スイッチング素子Ｑ５→コイル２３→スイッチング素子Ｑ２→バッテリ３０である。この際、Ｖ相の電流センサＳ１による検出電流値が規定値である＋α［Ａ］になるようにＵ相上アーム用のスイッチング素子Ｑ５をチョッパ制御する。この時のＵ相上アーム用のスイッチング素子Ｑ５のデューティを第２デューティ（ＤｕｔｙＵαｎ［％］）とする。

パターン３として、Ｖ相上アーム用のスイッチング素子Ｑ１をオン状態で固定し、Ｗ相下アーム用のスイッチング素子Ｑ４をチョッパ制御する。電流経路は、図５の破線で示すように、バッテリ３０→スイッチング素子Ｑ１→コイル２４→スイッチング素子Ｑ４→バッテリ３０である。この際、Ｖ相の電流センサＳ１による検出電流値が規定値である−α［Ａ］になるようにＷ相下アーム用のスイッチング素子Ｑ４をチョッパ制御する。なお、−α［Ａ］の−は電流の流れる方向を表している。この時のＷ相下アーム用のスイッチング素子Ｑ４のデューティを第３デューティ（ＤｕｔｙＷαｐ［％］）とする。

パターン４として、Ｖ相上アーム用のスイッチング素子Ｑ１をオン状態で固定し（パターン３での通電電流と同じにして）、Ｕ相下アーム用のスイッチング素子Ｑ６をチョッパ制御する。電流経路は、図５の一点鎖線で示すように、バッテリ３０→スイッチング素子Ｑ１→コイル２３→スイッチング素子Ｑ６→バッテリ３０である。この際、Ｖ相の電流センサＳ１による検出電流値が規定値である−α［Ａ］になるようにＵ相下アーム用のスイッチング素子Ｑ６をチョッパ制御する。この時のＵ相下アーム用のスイッチング素子Ｑ６のデューティを第４デューティ（ＤｕｔｙＵαｐ［％］）とする。

このようにして、第１、第２、第３及び第４デューティを取得しておき、制御装置２２は、充電開始後において、第３スイッチング素子Ｑ３と第５スイッチング素子Ｑ５を第１デューティ及び第２デューティにより補正しながらオン・オフ制御するとともに、第４スイッチング素子Ｑ４と第６スイッチング素子Ｑ６を第３デューティ及び第４デューティにより補正しながらオン・オフ制御する。

詳しくは、以下のようにする。
充電時、Ｕ相のスイッチングデューティは、Ｗ相のスイッチングデューティに対して、以下の補正量を加算して制御する。

電流が図２に示す＋方向の場合には、Ｕ相デューティ＝Ｗ相デューティ＋（ＤｕｔｙＵαｎ−ＤｕｔｙＷαｎ）とする。即ち、Ｗ相デューティに対し、第２デューティ（ＤｕｔｙＵαｎ［％］）と第１デューティ（ＤｕｔｙＷαｎ［％］）との差を加算したものを、Ｕ相デューティとする。

一方、電流が図３に示す−方向の場合には、Ｕ相デューティ=Ｗ相デューティ＋（ＤｕｔｙＵαｐ−ＤｕｔｙＷαｐ）とする。即ち、Ｗ相デューティに対し、第４デューティ（ＤｕｔｙＵαｐ［％］）と第３デューティ（ＤｕｔｙＷαｐ［％］）との差を加算したものを、Ｕ相デューティとする。

このように補正を行うことにより、充電開始前に、スイッチングのパターンを工夫して電流を流すことで、素子やセンサ等を追加することなく、相間のばらつきを取得し、補正することが可能となる。つまり、充電開始前に、相間のばらつきを取得し補正することで、バッテリ充電電流を精度良く制御することができる。

即ち、三相インバータのうちのトランスに接続されない二相を構成する２組のスイッチング素子を同期してオン・オフ制御する場合、各相毎に電流センサをそれぞれ設けることが考えられるが、オン・オフ制御する二相のうちの一相にしか電流センサが付いていない場合には、各スイッチング素子におけるデットタイムの相間ばらつき等により、二相の電流を等しく制御できず、バッテリ充電電流に誤差が発生する。本実施形態では、充電時に同じ電流を流す上で充電開始前に取得したスイッチング素子のデューティの差で補正を行うことにより、これを回避して、バッテリ充電電流を精度良く制御することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ スイッチング素子のデューティ補正量を取得するパターンは、４つのパターン（図４の破線で示す通電経路、図４の一点鎖線で示す通電経路、図５の破線で示す通電経路、図５の一点鎖線で示す通電経路）であった。このパターン１，２，３，４に、さらに以下の４つのパターン（パターン５，６，７，８）を加えてもよい。即ち、１通りではなく、大小２通りの電流、つまり、±α［Ａ］の４パターンで通電した後に、以下の４パターンを加えてもよい。

パターン５として、図４の破線で示す電流経路のようにＶ相下アーム用のスイッチング素子Ｑ２をオン状態で固定し、Ｖ相の電流センサＳ１による検出電流値が＋β［Ａ］になるようにＷ相上アーム用のスイッチング素子Ｑ３をチョッパ制御する。この時のＷ相上アーム用のスイッチング素子Ｑ３のデューティを第５デューティ（ＤｕｔｙＷβｎ［％］）とする。

パターン６として、図４の一点鎖線で示す電流経路のようにＶ相下アーム用のスイッチング素子Ｑ２をオン状態で固定し、Ｖ相の電流センサＳ１による検出電流値が＋β［Ａ］になるようにＵ相上アーム用のスイッチング素子Ｑ５をチョッパ制御する。この時のＵ相上アーム用のスイッチング素子Ｑ５のデューティを第６デューティ（ＤｕｔｙＵβｎ［％］）とする。

パターン７として、図５の破線で示す電流経路のようにＶ相上アーム用のスイッチング素子Ｑ１をオン状態で固定し、Ｖ相の電流センサＳ１による検出電流値が−β［Ａ］になるようにＷ相下アーム用のスイッチング素子Ｑ４をチョッパ制御する。この時のＷ相下アーム用のスイッチング素子Ｑ４のデューティを第７デューティ（ＤｕｔｙＷβｐ［％］）とする。

パターン８として、図５の一点鎖線で示す電流経路のようにＶ相上アーム用のスイッチング素子Ｑ１をオン状態で固定し、Ｖ相の電流センサＳ１による検出電流値が−β［Ａ］になるようにＵ相下アーム用のスイッチング素子Ｑ６をチョッパ制御する。この時のＵ相下アーム用のスイッチング素子Ｑ６のデューティを第８デューティ（ＤｕｔｙＵβｐ［％］）とする。

図６において、横軸に電流指令値をとり、縦軸に補正値をとっている。図６に示すように、電流指令値αに対する補正値として、（ＤｕｔｙＵαｐ−ＤｕｔｙＷαｐ）、即ち、第４デューティ（ＤｕｔｙＵαｐ［％］）と第３デューティ（ＤｕｔｙＷαｐ［％］）との差である第１の補正値Ｐ１をプロット点として得る。また、電流指令値βに対する補正値として、（ＤｕｔｙＵβｐ−ＤｕｔｙＷβｐ）、即ち、第８デューティ（ＤｕｔｙＵβｐ［％］）と第７デューティ（ＤｕｔｙＷβｐ［％］）との差である第２の補正値Ｐ２をプロット点として得る。

この２点（第１の補正値Ｐ１、第２の補正値Ｐ２）を繋ぐ特性線Ｌ１から、補正量は、充電時に流す電流に応じて補間して付与する。
同様に、電流指令値αに対する補正値として、（ＤｕｔｙＵαｎ−ＤｕｔｙＷαｎ）、即ち、第２デューティ（ＤｕｔｙＵαｎ［％］）と第１デューティ（ＤｕｔｙＷαｎ［％］）との差をプロット点として得る。また、電流指令値βに対する補正値として、（ＤｕｔｙＵβｎ−ＤｕｔｙＷβｎ）、即ち、第６デューティ（ＤｕｔｙＵβｎ［％］）と第５デューティ（ＤｕｔｙＷβｎ［％］）との差をプロット点として得る。この２点を繋ぐ特性線から、補正量は、充電時に流す電流に応じて補間して付与する。

このようにして、図６の横軸の電流指令値としてαをとったときのパターン１〜４による第１の補正値Ｐ１と、横軸の電流指令値としてβをとったときのパターン５〜８による第２の補正値Ｐ２とが得られる。特性線Ｌ１は、この第１の補正値Ｐ１と第２の補正値Ｐ２を通る直線である。そして、特性線Ｌ１を用いて目標電流値から線形補間して補正値を算出する。

このようにすることにより、補正量取得時の電流を大小２通りにすることで、負荷（モータコイル）のばらつきも併せて補正可能である。荷役用インバータ１８側も同様とする。

このようにして、制御装置２２は、充電開始前において、第２スイッチング素子Ｑ２，Ｑ１２を制御した状態における電流センサＳ１，Ｓ１１による電流値を第１デューティを取得する際とは異なる規定値にする第３スイッチング素子Ｑ３，Ｑ１３のオン・オフ制御による第５デューティと電流センサＳ１，Ｓ１１による電流値を第２デューティを取得する際とは異なる規定値にする第５スイッチング素子Ｑ５，Ｑ１５のオン・オフ制御による第６デューティ、及び、第１スイッチング素子Ｑ１，Ｑ１１を制御した状態における電流センサＳ１，Ｓ１１による電流値を第３デューティを取得する際とは異なる規定値にする第４スイッチング素子Ｑ４，Ｑ１４のオン・オフ制御による第７デューティと電流センサＳ１，Ｓ１１による電流値を第４デューティを取得する際とは異なる規定値にする第６スイッチング素子Ｑ６，Ｑ１６のオン・オフ制御による第８デューティを取得しておき、充電開始後において、第３スイッチング素子Ｑ３，Ｑ１３と第５スイッチング素子Ｑ５，Ｑ１５を第１デューティ、第２デューティ、第５デューティ、第６デューティにより補正しながらオン・オフ制御するとともに、第４スイッチング素子Ｑ４，Ｑ１４と第６スイッチング素子Ｑ６，Ｑ１６を第３デューティ、第４デューティ、第７デューティ、第８デューティにより補正しながらオン・オフ制御するようにしてもよい。

○ スイッチングデューティ補正量を取得する際、前述のパターン１〜４若しくは前述のパターン１〜８において、Ｖ相の上アーム用の第１スイッチング素子Ｑ１，Ｑ１１ないし下アーム用の第２スイッチング素子Ｑ２，Ｑ１２をオン固定せずに、あるデューティでスイッチングしてもよい。即ち、入力電圧の調整を行って通電電流を小さくするのでデューティのオン時間が長くなるため、高精度に誤差が検出できる。このように、補正量取得時のＶ相用のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ１１，Ｑ１２のデューティを１００％オン固定ではなく、一定量に制御することで、ばらつきを取得したいＵ相とＷ相用のスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６、Ｑ１３〜Ｑ１６のデューティが相対的に長くなり、補正量の取得精度が向上する。

○ 走行用インバータ１２または荷役用インバータ１８のいずれか一方を用いてバッテリ３０を充電してもよい。
○ スコットトランス１３以外のトランスを用いてもよい。

○ バッテリフォークリフトのように三相モータ（走行用モータ１１及び荷役用モータ１７）を備えた車載装置を充電装置として用いたが、一般の電気自動車の充電装置に適用してもよい。

○ フォークリフトに適用したが、その他の産業車両に適用してもよい。また、産業車両以外の車両、例えば乗用車やバス等に適用してもよい。

１１…走行用モータ（三相モータ）、１２…走行用インバータ（三相インバータ）、１３…スコットトランス、１４…整流回路、１５ａ…端子、１５ｂ…端子、１６ａ…端子、１６ｂ…端子、１７…荷役用モータ（三相モータ）、１８…荷役用インバータ（三相インバータ）、１９…整流回路、２０…配線、２１…配線、２２…制御装置、３０…バッテリ、Ａ…接続点、Ｂ…接続点、Ｓ１，Ｓ１１…電流センサ、Ｑ１，Ｑ１１…第１スイッチング素子、Ｑ２，Ｑ１２…第２スイッチング素子、Ｑ３，Ｑ１３…第３スイッチング素子、Ｑ４，Ｑ１４…第４スイッチング素子、Ｑ５，Ｑ１５…第５スイッチング素子、Ｑ６，Ｑ１６…第６スイッチング素子。

Claims

第一相の上アーム用の第１スイッチング素子、第一相の下アーム用の第２スイッチング素子、第二相の上アーム用の第３スイッチング素子、第二相の下アーム用の第４スイッチング素子、第三相の上アーム用の第５スイッチング素子、第三相の下アーム用の第６スイッチング素子を有する三相インバータにより、バッテリを電源として駆動制御される三相モータを備えたモータ駆動系のバッテリ充電回路であって、
単相出力トランスと、
前記単相出力トランスの二次側出力の一方の端子に接続されるとともに、前記三相インバータ及び前記バッテリに対して並列に接続されている整流回路と、
前記三相インバータにおける前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との間の接続点を前記二次側出力の他方の端子に接続する配線と、
充電時には前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子はオフ状態に保持し、前記第３スイッチング素子と前記第５スイッチング素子を同期してオン・オフ制御するとともに前記第４スイッチング素子と前記第６スイッチング素子を同期してオン・オフ制御する制御装置と、
前記接続点と前記三相モータとの間に流れる電流を検出する電流センサと、
を備え、
前記制御装置は、
充電開始前において、前記第２スイッチング素子を制御した状態における前記電流センサによる電流値を規定値にする前記第３スイッチング素子のオン・オフ制御による第１デューティと前記電流センサによる電流値を規定値にする前記第５スイッチング素子のオン・オフ制御による第２デューティ、及び、前記第１スイッチング素子を制御した状態における前記電流センサによる電流値を規定値にする前記第４スイッチング素子のオン・オフ制御による第３デューティと前記電流センサによる電流値を規定値にする前記第６スイッチング素子のオン・オフ制御による第４デューティを取得しておき、
充電開始後において、前記第３スイッチング素子と前記第５スイッチング素子を前記第１デューティ及び前記第２デューティにより補正しながらオン・オフ制御するとともに、前記第４スイッチング素子と前記第６スイッチング素子を前記第３デューティ及び前記第４デューティにより補正しながらオン・オフ制御することを特徴とするバッテリ充電回路。
前記制御装置は、
充電開始前において、前記第２スイッチング素子を制御した状態における前記電流センサによる電流値を前記第１デューティを取得する際とは異なる規定値にする前記第３スイッチング素子のオン・オフ制御による第５デューティと前記電流センサによる電流値を前記第２デューティを取得する際とは異なる規定値にする前記第５スイッチング素子のオン・オフ制御による第６デューティ、及び、前記第１スイッチング素子を制御した状態における前記電流センサによる電流値を前記第３デューティを取得する際とは異なる規定値にする前記第４スイッチング素子のオン・オフ制御による第７デューティと前記電流センサによる電流値を前記第４デューティを取得する際とは異なる規定値にする前記第６スイッチング素子のオン・オフ制御による第８デューティを取得しておき、
充電開始後において、前記第３スイッチング素子と前記第５スイッチング素子を前記第１デューティ、前記第２デューティ、前記第５デューティ、前記第６デューティにより補正しながらオン・オフ制御するとともに、前記第４スイッチング素子と前記第６スイッチング素子を前記第３デューティ、前記第４デューティ、前記第７デューティ、前記第８デューティにより補正しながらオン・オフ制御することを特徴とする請求項１に記載のバッテリ充電回路。