JP7010117B2 - モータシステム - Google Patents

Description

本発明は、電動車両などに搭載されるモータシステムに関する。

近年、モータを駆動源とする電気自動車、モータとエンジンとを駆動源とするハイブリッド車両などの電動車両が多く用いられている。電動車両にはモータシステムが搭載される。よく知られたモータシステムは、バッテリと、バッテリから供給される直流電力の電圧を昇圧して昇圧直流電力を出力する昇圧コンバータと、昇圧コンバータから供給される昇圧直流電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータ（以下、適宜「一般的なインバータ」と言う）と、昇圧コンバータおよびインバータを制御するコントローラ（ＥＣＵ）を含む。バッテリは、複数の電池セルから構成された電池スタックが収納された電池パックであることが多い。

なお、モータは、電動車両の制動時には発電機として機能して回生エネルギーを回収しバッテリを充電する。インバータでモータから供給される回生電力（交流電力）を直流電力に変換し、直流電力を昇圧コンバータを介してバッテリに充電する。

インバータとしては、近年、ＭＭＩ（モジュラー・マルチレベルＰＷＭインバータ）が注目されている（特許文献１および非特許文献１を参照）。非特許文献１のＦｉｇ．１（ａ）（ｂ）にあるように、三相ＭＭＩは、キャパシタと２組の半導体スイッチ（スイッチングアーム）からなる２端子回路であるチョッパセル（モジュール回路）を多数含んで構成される。モジュール回路は、２組の半導体スイッチの制御により、２端子間へのキャパシタの電気的接続と、２端子間の短絡とを切換え可能な回路である。三相ＭＭＩは、インバータのＵ，Ｖ，Ｗ相の上下アームの各々を、複数のモジュール回路の直列接続からなるクラスタで構成する。各相の上アーム（上側クラスタ）と下アーム（下側クラスタ）とをセンタータップ付リアクトルを介して接続し、各相のリアクトルのセンタータップのそれぞれを三相交流負荷（三相交流モータ等）のそれぞれの端子に接続する。このような三相ＭＭＩによれば、複数の電圧レベル（マルチレベル）で変化させた交流電圧を三相交流モータに印加することができ、三相交流モータの制御性向上や電磁ノイズ低減などを期待できる。

特開２０１５－１２７６９号公報

萩原誠・西村和敏・赤木泰文、「モジュラー・マルチレベルＰＷＭインバータを用いた高圧モータドライブ：第１報：４００Ｖ，１５ｋＷミニモデルによる実験的検証」、電気学会論文誌Ｄ、２０１０年４月、１３０巻、４号、ｐｐ．５４４－５５１

一般的なインバータ、ＭＭＩのいずれにおいても、インバータに供給された直流電圧の電圧値を超える交流電圧を出力することはできず、それらは降圧回路と考えることができる。多相交流モータに高電圧を供給するためには、インバータの前段に昇圧コンバータを設けて、バッテリからの直流電圧を昇圧してインバータに供給する必要がある。このように昇圧コンバータを設けると、その分、モータシステムの体格が大きくなってしまう。昇圧コンバータを省き、モータシステムを省スペースにすることが望まれている。

本発明の目的は、昇圧コンバータが省かれた、省スペースのモータシステムを提供することにある。

本発明に係るモータシステムは、上記の目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係るモータシステムは、キャパシタと、半導体素子からなるスイッチングアームとを有し、当該スイッチングアームの制御により、端子間への前記キャパシタの電気的接続と、当該端子間の短絡とを切換え可能であるキャパシタ基本モジュール回路と、電池セルと、半導体素子からなるスイッチングアームとを有し、当該スイッチングアームの制御により、端子間への前記電池セルの電気的接続と、当該端子間の短絡とを切換え可能である電池セル基本モジュール回路と、をそれぞれ１個又は複数個直列に接続したクラスタを複数備え、前記キャパシタ基本モジュール回路と前記電池セル基本モジュール回路とのスイッチングアームを制御する制御部と、多相交流モータと、を備え、前記クラスタをセンタータップ付リアクトルを挟んで２個直列接続したスタックが、前記多相交流モータの相数と同数だけ並列接続されており、前記リアクトルのそれぞれのセンタータップと前記多相交流モータの端子とが接続されており、前記制御部は、前記多相交流モータの駆動要求又は回生要求に基づいて、選択的に所定個の前記キャパシタ基本モジュール回路および前記電池セル基本モジュール回路の前記電気的接続を行う、ことを要旨とする。

本発明の一態様では、前記制御部が、前記多相交流モータの駆動運転又は回生運転において、各々の前記キャパシタ基本モジュール回路のキャパシタの電圧を制御する、ことが好適である。

本発明の一態様では、複数の前記スタックの共通接続点の間に、外部直流電源、又は、外部交流電源を整流した電源が接続された外部充電状態を有し、前記制御部が、前記外部充電状態において、充電対象の電池セルを有する電池セル基本モジュール回路の前記電気的接続を行う、ことが好適である。

本発明の一態様では、前記制御部が、前記多相交流モータの回生運転において、前記キャパシタ基本モジュール回路の前記電気的接続を、前記電池セル基本モジュール回路のそれよりも優先的に行う、ことが好適である。

本発明の一態様では、複数の前記電池セル基本モジュール回路の電池セルの各々の充電状態を検出する充電状態検出部を、さらに備え、前記制御部が、各々の電池セルの充電状態が均一になるように、各々の前記電池セル基本モジュール回路のスイッチングアームを制御する、ことが好適である。

本発明の一態様では、複数の前記キャパシタ基本モジュール回路のキャパシタの各々、および複数の前記電池セル基本モジュール回路の電池セルの各々の故障を検出する故障検出部を、さらに備え、前記制御部が、故障が検出されたキャパシタを有するキャパシタ基本モジュール回路の前記短絡を行い、故障が検出された電池セルを有する電池セル基本モジュール回路の前記短絡を行う、ことが好適である。

本発明の一態様では、前記制御部が、前記多相交流モータの運転が終了した際に、前記キャパシタ基本モジュール回路のキャパシタに蓄えられているエネルギーを、前記電池セル基本モジュール回路の電池セルへ移すように、それらのスイッチングアームを制御する、ことが好適である。

本発明によれば、バッテリを構成する各電池セルがインバータに組み込まれて一体化され、インバータに組み込まれた各キャパシタにより各クラスタの出力電圧を各クラスタに含まれる電池セルの総供給電圧から昇圧させた電圧にできるため、昇圧コンバータを省くことができ、モータシステムを省スペースにすることができる。

モータシステムの概略構成を示すブロック図である。 ＣＭＣの回路構成の一例（Ａ）と、ＢＭＣの回路構成の一例（Ｂ）とを示す図である。 モータ駆動制御の電流経路を示す図である。 キャパシタ昇圧制御の電流経路を示す図である。 ＣＭＣ，ＢＭＣの故障検出部と、ＢＭＣの充電状態検出部とを示す図である。 外部充電状態における電流経路を示す図である。 外部三相交流電源と三相フルブリッジ整流回路とを示す図である。 外部単相交流電源と三相フルブリッジ整流回路とを示す図である。

以下、本発明のモータシステムの実施形態を図面を参照しながら説明する。

＜構成＞
図１は、本実施形態のモータシステム１０の概略構成を示すブロック図である。モータシステム１０は、ハイブリッド車両や電気自動車などの電動車両に搭載される。モータ１４は、車両の力行時には電動機として機能して車輪を駆動し、車両の制動時には発電機として機能する。本実施形態のモータシステム１０は、モータ１４に駆動電力を供給し、モータ１４からの回生電力（回生エネルギー）を充電する複数の電池セルが、インバータに組み込まれて一体化されている特徴を有する。

図１に示すように、モータシステム１０は、キャパシタ（キャパシタセル）を内部に有するキャパシタ基本モジュール回路（以降、適宜「ＣＭＣ」と記す）２０と、電池セルを内部に有する電池セル基本モジュール回路（以降、適宜「ＢＭＣ」と記す）２１とを、それぞれ１個又は複数個直列に接続したクラスタ１８を複数備える。また、モータシステム１０は、各ＣＭＣ２０及び各ＢＭＣ２１を制御する制御部１２と、三相交流モータ１４とを備える。

２個のクラスタ１８がセンタータップ付リアクトル２２を挟んで直列接続されてスタック１６が構成されており、スタック１６は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相ごとに存在する。各相の上アーム（上側クラスタ、例えばＣＳｕｈ）と、下アーム（下側クラスタ、例えばＣＳｕｌ）とがリアクトル２２を介して接続された構造である。Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各スタック１６は並列接続されており、各相のリアクトル２２のセンタータップのそれぞれが、三相交流モータ１４の３つの端子２４のそれぞれに接続されている。

制御部１２は、プロセッサを含み、フラッシュメモリ等の記憶部に記憶されているプログラムに従って制御を実行する。制御部１２は、例えばＥＣＵと呼ばれるものである。制御部１２には、車両のアクセル開度等に従った三相交流モータ１４の駆動要求が入力される。駆動要求には、三相交流モータ１４の要求トルクや要求回転数などが伴う。制御部１２は、三相交流モータ１４の駆動要求に基づいて、各ＣＭＣ２０及び各ＢＭＣ２１のスイッチングアーム（後述）を制御し、三相交流モータ１４を駆動する。同様に、制御部１２には、三相交流モータ１４が発電機として機能する際の回生要求が入力される。制御部１２は、三相交流モータ１４への回生要求に基づいて、各ＣＭＣ２０及び各ＢＭＣ２１のスイッチングアームを制御し、三相交流モータ１４からの回生電力（回生エネルギー）をＣＭＣ２０内のキャパシタに蓄電し、ＢＭＣ２１内の電池セルに充電する。

ここで、キャパシタ基本モジュール回路（ＣＭＣ）２０と、電池セル基本モジュール回路（ＢＭＣ）２１について詳細に説明する。図２（Ａ）は、ＣＭＣ２０の回路構成の一例であり、図２（Ｂ）は、ＢＭＣ２１の回路構成の一例である。

図２（Ａ）に示すように、ＣＭＣ２０は、半導体素子からなる上側のスイッチングアーム５４Ｈおよび下側のスイッチングアーム５４Ｌと、電気二重層コンデンサ等のキャパシタ５８とを備える２端子回路である。上側のスイッチングアーム５４Ｈは、ＩＧＢＴ（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子５０Ｈと環流ダイオード５２Ｈとが逆並列接続された回路である。スイッチング素子５０Ｈのコレクタは、環流ダイオード５２Ｈのカソードに接続され、かつ、キャパシタ５８の正極端子に接続されている。スイッチング素子５０Ｈのエミッタは、環流ダイオード５２Ｈのアノードに接続され、かつ、ｐ点を介してＣＭＣ２０の一方の端子６２に接続されている。スイッチング素子５０Ｈのゲートは、不図示のゲートドライバを介して制御部１２に接続されている。

上側のスイッチングアーム５４Ｈと同様に、下側のスイッチングアーム５４Ｌは、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子５０Ｌと環流ダイオード５２Ｌとが逆並列接続された回路である。スイッチング素子５０Ｌのコレクタは、環流ダイオード５２Ｌのカソードに接続され、かつ、ｐ点に接続されている。スイッチング素子５０Ｌのエミッタは、環流ダイオード５２Ｌのアノードに接続され、ＣＭＣ２０の他方の端子６２に接続され、かつ、キャパシタ５８の負極端子に接続されている。スイッチング素子５０Ｌのゲートは、不図示のゲートドライバを介して制御部１２に接続されている。このように、ＣＭＣ２０は、２組のスイッチングアーム５４Ｈ，５４Ｌを直列接続してなるレグ（ハーフブリッジ）に、キャパシタ５８を接続した回路である。

制御部１２は、ＣＭＣ２０の上側のスイッチング素子５０Ｈをオンにし、下側のスイッチング素子５０Ｌをオフにすることで、端子６２間にキャパシタ５８を電気的に接続する。この時、端子６２間の電圧は、キャパシタ５８の出力電圧Ｖｃ［Ｖ］とほぼ等しくなる。また、制御部１２は、ＣＭＣ２０の上側のスイッチング素子５０Ｈをオフにし、下側のスイッチング素子５０Ｌをオンにすることで、端子６２間を短絡する。なお、以降、適宜、端子６２間にキャパシタ５８が電気的接続された状態をＣＭＣ２０の「オン状態」、端子６２間が短絡された状態をＣＭＣ２０の「オフ状態」と言う。

次に、ＢＭＣ２１について説明する。図２（Ｂ）に示すように、ＢＭＣ２１は、半導体素子からなる上側のスイッチングアーム５４Ｈおよび下側のスイッチングアーム５４Ｌと、電池セル６０とを備える２端子回路である。ＢＭＣ２１は、ＣＭＣ２０のキャパシタ５８を電池セル６０に置き換えた回路であり、２組のスイッチングアーム５４Ｈ，５４Ｌを直列接続してなるレグ（ハーフブリッジ）に電池セル６０を接続した回路である。制御部１２は、ＢＭＣ２１の上側のスイッチング素子５０Ｈをオンにし、下側のスイッチング素子５０Ｌをオフにすることで、端子６４間へ電池セル６０を電気的に接続する。この時、端子６４間の電圧は、電池セル６０の出力電圧Ｖｂ［Ｖ］とほぼ等しくなる。また、制御部１２は、ＢＭＣ２１の上側のスイッチング素子５０Ｈをオフにし、下側のスイッチング素子５０Ｌをオンにすることで、端子６４間を短絡する。なお、以降、適宜、端子６４間に電池セル６０が電気的接続された状態をＢＭＣ２１の「オン状態」、端子６４間が短絡された状態をＢＭＣ２１の「オフ状態」と言う。

なお、以上説明したＣＭＣ２０およびＢＭＣ２１は、ハーフブリッジを用いた構成であったが、フルブリッジを用いた構成であってもよい。フルブリッジについては、例えば特許文献１の図３に開示がある。フルブリッジを用いた構成とすれば、制御部１２によるスイッチングアームの制御により、ＣＭＣ２０の端子６２間の電圧を、キャパシタ５８の出力電圧Ｖｃを反転した電圧―Ｖｃとすることも可能である。同様に、ＢＭＣ２１の端子６４間の電圧を、電池セル６０の出力電圧Ｖｂを反転した電圧―Ｖｂとすることも可能である。

＜基本動作＞
次に、モータシステム１０の動作について説明する。図１に示すように、クラスタ１８の各々は、ＣＭＣ２０をＭ（Ｍは１以上の整数）個、ＢＭＣ２１をＮ（Ｎは１以上の整数）個直列接続して構成される。制御部１２は、各ＣＭＣ２０と各ＢＭＣ２１のスイッチングアームを制御することで、クラスタ１８の端子間の出力電圧をＶｍｉｎ＝０［Ｖ］から以下の（数１）式に示すＶｍａｘ［Ｖ］まで変化させることができる。

なお、（数１）式におけるＶｃｍはＣＭＣ２０のそれぞれのキャパシタ電圧であり、ＶｂｎはＢＭＣ２１のそれぞれの電池セル電圧であり、以降の説明においても同じである。Ｖｂｎは、ほぼ一定の電圧であるのに対し、Ｖｃｍは、キャパシタの電荷チャージ量に応じて大きく変化する電圧である。キャパシタ電圧Ｖｃｍは、後述するキャパシタ昇圧制御により調整される。なお、ＣＭＣ２０とＢＭＣ２１とがフルブリッジで構成されている場合には、クラスタ１８の端子間の出力電圧を以下の（数２）式に示すＶｍｉｎ［Ｖ］から上記（数１）式に示すＶｍａｘ［Ｖ］まで変化させることができる。

以上のようにＭ，Ｎの数によりクラスタ１８の最大出力電圧が決まっている。Ｍ，Ｎの数は、三相交流モータ１４の駆動に要求される出力電圧等を考慮して決めればよい。

制御部１２は、クラスタ１８の端子間の出力電圧をＶｃｍ［Ｖ］またはＶｂｎ［Ｖ］の単位で変化させる（マルチレベルで変化させる）ことができる。すなわち、クラスタ１８は、出力電圧が可変である直流電源とみなせる。制御部１２は、三相交流モータ１４の駆動運転および回生運転において、オン状態にするＣＭＣ２０およびオフ状態にするＣＭＣ２０と、オン状態にするＢＭＣ２１およびオフ状態にするＢＭＣ２１とを逐次選択する。これは、要求されるクラスタ１８の端子間出力電圧を考慮した上で、そのクラスタ１８における各ＣＭＣ２１のキャパシタ電圧Ｖｃｍ、故障検出状態や、各ＢＭＣ２１の電池セルの充電状態（充電率、ＳＯＣ：State Of Charge）、劣化度合、故障検出状態等を考慮して、最適な所定個のＣＭＣ２０とＢＭＣ２１とを選択するものである。この詳細については後述する。

次に、三相交流モータ１４の駆動運転について説明する。制御部１２は、三相交流モータ１４の駆動要求（要求トルクや要求回転数を含む）に基づいて、ＣＭＣ２０及びＢＭＣ２１の各々のスイッチングアームを制御して、モータ駆動制御とキャパシタ昇圧制御とを同時に行う。モータ駆動制御は、三相交流モータ１４に三相交流電力を供給し三相交流モータ１４を駆動するための制御であり、キャパシタ昇圧制御は、ＣＭＣ２０のキャパシタ電圧Ｖｃｍ（電荷チャージ量）を高めて三相交流モータ１４の駆動に必要なクラスタ１８の端子間出力電圧を得るための制御である。図３は、モータ駆動制御の電流経路を示す図であり、図４は、キャパシタ昇圧制御の電流経路を示す図である。

図３に示すように、モータ駆動制御における制御電流は、上側の３つのクラスタ１８（ＣＳｕｈ，ＣＳｖｈ，ＣＳｗｈ）と三相交流モータ１４との間で流れる３つの制御電流Ｉｍｕｖ＿ｈ，Ｉｍｕｗ＿ｈ，Ｉｍｖｗ＿ｈと、下側の３つのクラスタ１８（ＣＳｕｌ，ＣＳｖｌ，ＣＳｗｌ）と三相交流モータ１４との間で流れる３つの制御電流Ｉｍｕｖ＿ｌ，Ｉｍｕｗ＿ｌ，Ｉｍｖｗ＿ｌとがある。なお、図３において、同じ識別名を有する制御電流（例えばＩｍｕｖ＿ｈ）の電流経路は、三相交流モータ１４内を通って循環経路となっている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相の駆動電流Ｉｍｕ，Ｉｍｖ，Ｉｍｗのそれぞれと、６つの制御電流Ｉｍｕｖ＿ｈ，Ｉｍｕｗ＿ｈ，Ｉｍｖｗ＿ｈ，Ｉｍｕｖ＿ｌ，Ｉｍｕｗ＿ｌ，Ｉｍｖｗ＿ｌとは、以下の（数３）～（数５）式の関係を有する

Ｉｍｕ＝Ｉｍｕｖ＿ｈ＋Ｉｍｕｗ＿ｈ＋Ｉｍｕｖ＿ｌ＋Ｉｍｕｗ＿ｌ （数３）
Ｉｍｖ＝Ｉｍｕｖ＿ｈ＋Ｉｍｖｗ＿ｈ＋Ｉｍｕｖ＿ｌ＋Ｉｍｖｗ＿ｌ （数４）
Ｉｍｗ＝Ｉｍｕｗ＿ｈ＋Ｉｍｖｗ＿ｈ＋Ｉｍｕｗ＿ｌ＋Ｉｍｖｗ＿ｌ （数５）

制御部１２は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の駆動電流Ｉｍｕ，Ｉｍｖ，Ｉｍｗが三相交流電流となるように、６つの制御電流を調整する。これは、制御部１２が、６つのクラスタ１８（ＣＳｕｈ，ＣＳｖｈ，ＣＳｗｈ，ＣＳｕｌ，ＣＳｖｌ，ＣＳｗｌ）のそれぞれの端子間出力電圧Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈ，Ｖｕｌ，Ｖｖｌ，Ｖｗｌを調整することで行われる。すなわち、制御部１２は、各クラスタ１８において、オン状態にするＣＭＣの数とＢＭＣの数とを調整し、端子間出力電圧を調整する。この際、制御部１２は、ＣＭＣとＢＭＣとを選択的にオン状態にする。例えば、制御部１２は、電池セルの充電状態（充電率）が所定値以上であるＢＭＣを積極的にオン状態にし、キャパシタ電圧Ｖｃｍが所定値以上あるＣＭＣを積極的にオン状態にする。なお、これはあくまで一例であり、オン状態にするＣＭＣ，ＢＭＣの選択基準はその他であることができる。

制御電流Ｉｍｕｖ＿ｈに着目した場合、この制御電流は、クラスタＣＳｕｈの端子間出力電圧Ｖｕｈと、クラスタＣＳｖｈの端子間出力電圧Ｖｖｈとにより決定される。Ｖｕｈ＝ＶｖｈとすればＩｍｕｖ＿ｈ＝０［Ａ］となり、Ｖｕｈ＜ＶｖｈとすればＩｍｕｖ＿ｈは正の電流値（なお、Ｖ相においては負の電流値）となり、Ｖｕｈ＞ＶｖｈとすればＩｍｕｖ＿ｈは負の電流値（なお、Ｖ相においては正の電流値）となり、ＶｕｈとＶｖｈとの差が大きくなるほどＩｍｕｖ＿ｈの電流値（絶対値）は大きくなる。他の制御電流も同様である。

次に、キャパシタ昇圧制御について説明する。図４に示すように、キャパシタ昇圧制御における制御電流は、Ｕ相の上下のクラスタＣＳｕｈ，ＣＳｕｌとＶ相の上下のクラスタＣＳｖｈ，ＣＳｖｌとの間で流れるＩｓｕｖと、Ｕ相の上下のクラスタＣＳｕｈ，ＣＳｕｌとＷ相の上下のクラスタＣＳｗｈ，ＣＳｗｌとの間で流れるＩｓｕｗと、Ｖ相の上下のクラスタＣＳｖｈ，ＣＳｖｌとＷ相の上下のクラスタＣＳｗｈ，ＣＳｗｌとの間で流れるＩｓｖｗとがある。キャパシタ昇圧制御の制御電流Ｉｓｕｖ，Ｉｓｕｗ，Ｉｓｖｗは、モータ駆動制御の制御電流と同様に、各クラスタ１８の出力電圧を調整することで制御される。

例えば、出力電圧（キャパシタ電圧Ｖｃｍ）を高めたいキャパシタを有するＣＭＣ（昇圧したいＣＭＣ）がクラスタＣＳｕｈ，ＣＳｕｌ内にある場合、制御電流Ｉｓｕｖを流すことで、クラスタＣＳｖｈ，ＣＳｖｌ内にあるＢＭＣの電池セルからそのＣＭＣに電力を供給することができる。これは、クラスタＣＳｕｈ，ＣＳｕｌ内の昇圧したいＣＭＣをオン状態にして、クラスタＣＳｖｈ，ＣＳｖｌ内にあるＢＭＣをオン状態にすることで行える。

キャパシタ昇圧制御により、クラスタ１８内のＣＭＣから所定の出力電圧が得られるようになる。それにより、クラスタ１８の端子間出力電圧を、クラスタ１８内のＢＭＣを全てオン状態にした場合の電圧よりも高い電圧とすることができる。つまり、三相交流モータ１４を高電圧で駆動することが可能となる。なお、例えば、三相交流モータ１４の要求トルクや要求回転数が低い時には、三相交流モータ１４を駆動するための各クラスタ１８に求められる出力電圧が低く、各クラスタ１８内のＢＭＣだけで十分な出力電圧が得られることも考えられる。その場合には、ＣＭＣから所定電圧を出力する必要がないため、キャパシタ昇圧制御が不要になり、全てのＣＭＣをオフ状態に保つ。

以上、モータ駆動制御とキャパシタ昇圧制御について説明したが、これらの制御については、非特許文献１に記載された三相ＭＭＩの制御方法を応用したものを適用可能である。

次に、三相交流モータ１４が発電機として機能する回生運転について説明する。制御部１２には、三相交流モータ１４が発電機として機能する際、回生要求が入力される。制御部１２は、三相交流モータ１４の回生要求に基づいて、各ＣＭＣ及び各ＢＭＣのスイッチングアームを制御して、三相交流モータ１４からの回生電力（回生エネルギー）をＣＭＣ内のキャパシタに蓄電し、ＢＭＣ内の電池セルに充電する。三相交流モータ１４からの回生電流は、図３に示すモータ駆動制御の制御電流の経路と同じ経路で流れる。制御部１２は、各クラスタ１８内において、出力電圧（キャパシタ電圧Ｖｃｍ）を高めたいキャパシタを有するＣＭＣをオン状態にし、充電したい電池セルを有するＢＭＣをオン状態にする。すなわち、制御部１２は、選択的にＣＭＣとＢＭＣとをオン状態にする。この際、制御部１２は、ＣＭＣのキャパシタが所望の出力電圧（キャパシタ電圧Ｖｃｍ）となるように制御する。

三相交流モータ１４の回生運転において、制御部１２は、ＢＭＣに比べてＣＭＣを優先的にオン状態にすることが好適である。これは、回生電力は、キャパシタに蓄電した方が、電池セルに充電する場合に比べて、損失を少なくできるためである。電池セルは、化学反応を起こして電気を蓄える構造であるため、キャパシタに蓄電する場合に比べて損失が大きい。このように、ＣＭＣを優先的にオン状態にすることで、例えば、車両がブレーキをかけた際に回生電力をＣＭＣのキャパシタに蓄電し、その後、車両が加速した際にＣＭＣのキャパシタから駆動電力を供給することができる。これにより、ＢＭＣの使用頻度を低下させて効率を高めることができる。また、電池セルの使用頻度が減るので電池セルの劣化を抑制することもできる。

＜基本的な作用効果＞
次に、本実施形態のモータシステム１０の基本的な作用効果について説明する。本実施形態のモータシステム１０によれば、バッテリを構成する各電池セルがインバータに組み込まれて一体化され、インバータに組み込まれた各キャパシタにより各クラスタ１８の出力電圧を各クラスタ１８に含まれる電池セルの総供給電圧から昇圧させた電圧にできる。そのため、従来の昇圧コンバータを省くことができ、モータシステム１０を省スペースにすることができる。

従来、電池パック（バッテリ）内には電池スタックを構成する各電池セルの接続回路が形成され、電池パック内、或いは、外に各電池セルを監視、制御するためのコントローラ（電池ＥＣＵ）が存在した。しかし、本実施形態によれば、従来の各電池セル間の接続回路や電池ＥＣＵ等を省くことができる。また、バッテリとインバータとが統一された制御部によって一元的に制御される。そのため、さらなるモータシステム１０の省スペース化が期待できると共に、制御構成の簡易化も期待できる。

なお、本実施形態のモータシステム１０において、各ＢＭＣの電池セルのそれぞれの物理的な位置は何ら制限されるものではない。例えば、従来と同様に複数の電池セルが１箇所にまとめられて車両内に配置され、複数の電池セルの各々を図１に示した各ＢＭＣ２１内に配線することが可能である。

また、本実施形態によれば、各クラスタ１８の出力電圧を調整できるため、低出力にして高効率でモータ駆動ができると共に、要求トルクや要求回転数が高い場合などには高出力にしてモータ駆動を行うことができる。すなわち、モータ駆動の動作範囲を拡大することができる。また、本実施形態によれば、三相交流電圧をマルチレベルで変化させることができるため、三相交流モータ１４の損失を低減でき、ノイズや騒音を低減することができる。さらに、本実施形態によれば、ＣＭＣとＢＭＣ内のスイッチングアームは低耐圧（例えば電池セルの電圧相当）のものが使えるため、スイッチングアームを安価に構成でき、モータシステム１０のコスト低減を期待できる。

＜電池セルの充電状態の均一化制御＞
次に、各ＢＭＣ内の電池セルの充電状態の均一化について説明する。三相交流モータ１４の駆動運転や回生運転による各電池セルの使用により、各電池セルの充電状態（充電率、ＳＯＣ）がばらついてくる。これが起こると、ある特定の電池セルだけが劣化が進んだり、故障したりする虞がある。そのため、従来、電池パック内の各電池セルの充電状態を検出し、車両の起動時や停止時などに、各電池セルの充電状態を均一化させる制御が行われている。すなわち、充電率の高い電池セルの電力を抵抗で消費して、充電率が低い電池セルに合わせることが行われている。或いは、充電率が高い電池セルから充電率が低い電池セルへの電力供給が行われている。このような電池セルの充電状態の均一化制御を行うためには、各電池セル間の電力受け渡しのための接続回路等が電池パック内に形成される必要がある。また、車両の起動時や停止時などの所定タイミングだけでは、各電池セルの充電状態が十分に均等化されない虞がある。また、抵抗消費の場合は、損失が大きいという問題がある。本実施形態のモータシステム１０によれば、これらの点を効果的に改善することができる。

図５に示すように、本実施形態のモータシステム１０に、充電状態検出部３６を設ける。充電状態検出部３６は、各ＢＭＣ内の電池セルの充電状態を検出し、その情報を制御部１２に送る。制御部１２は、その情報を参照して、各々の電池セルの充電状態が均一となるように、各ＢＭＣ内のスイッチングアームを制御する。すなわち、充電状態を変化させたい（均一化させたい）電池セルを有するＢＭＣをオン状態にする。これを、三相交流モータ１４が駆動運転または回生運転している最中に行う。これにより、均一化するタイミングを著しく増やすことができる。また、この実施形態によれば、従来、電池パック内に形成されていた上記した接続回路も不要となる。この充電状態の均一化制御は、前述のキャパシタ昇圧制御と同じ手法で実現できる。

＜故障セルの除去制御＞
次に、故障セルの除去制御について説明する。従来、電池パック内で電池セルが直列に接続され、ある電池セルが故障すると、その列の電池セルが全て使えなくなる虞があった。それにより、電池パック全体が取り換えになる可能性もあった。また、１つの電池セルが故障しただけで、三相交流モータ１４を駆動できなくなり、車両がその場で動けなくなる虞もあった。電池パックによっては、故障した電池セルを除去するための除去回路（正常な電池セルのみの接続回路を形成するための制御回路）を備えるものがある。しかし、除去回路を備えることにより、電池パック内の配線等が複雑になる。本実施形態のモータシステム１０は、これらの点を効果的に改善することができる。

図５に示すように、本実施形態のモータシステム１０に故障検出部３８を設ける。故障検出部３８は、各ＢＭＣ内の電池セルの故障を検出し、各ＣＭＣ内のキャパシタの故障を検出し、それらの情報を制御部１２に送る。制御部１２は、その情報を参照して、故障が検出された電池セルを有するＢＭＣと、故障が検出されたキャパシタを有するＣＭＣとを常にオフ状態（短絡状態）とする。これにより、故障が検出されたＢＭＣの電池セル、および、故障が検出されたＣＭＣのキャパシタを容易に不使用とすることができる。本実施形態のモータシステム１０によれば、１つ又は数個の電池セル或いはキャパシタが故障しても、他の電池セル及びキャパシタの使用を継続できるため、車両の走行に支障を生じることがない。このようにモータシステム１０の信頼性を向上することができる。また、修理時は、故障した電池セル、或いは、キャパシタを取り換えるだけで済む。さらに、この実施形態によれば、従来、電池パック内に形成されていた上記した除去回路を設ける必要もない。

従来の電池パックの構成では、１つの電池セルの故障による代償が大きい。そのため、従来、電池パックを製造する際に、品質の高い電池セルを集めて、品質の悪い電池セルを使わない。また、品質を確認するための検査時間も多くかかっている。そのため、電池パックの製造歩留まりが悪く、電池パックの値段が高い。しかし、上記したように、本実施形態によれば、故障した電池セルを容易に不使用とすることができ、１つ又は数個の電池セルが故障しても車両の走行に支障を生じることがない。そのため、品質の若干悪い電池セルであっても採用することができる。これにより、電池セルの歩留まりを高くすることができ、電池コストを低くすることが可能である。また、劣化がある程度進んだ中古の電池セルを採用することも可能である。

＜システム終了時のエネルギー回収＞
次に、システム終了時のエネルギー回収について説明する。車両が走行した後、イグニッションスイッチ（メインスイッチ）がオフにされる時点（モータシステム１０の終了時点）では、各ＣＭＣのキャパシタに電気が蓄電された状態となっている可能性が高い。そこで、制御部１２は、モータシステム１０の終了時に、各ＣＭＣと各ＢＭＣのスイッチングアームを制御して、ＣＭＣのキャパシタに蓄えられているエネルギーを、ＢＭＣの電池セルに移すようにしてもよい。これは、イグニッションスイッチのオフ時だけでなく、三相交流モータ１４の運転が終了するたび（例えば車両が停止するたび等）に行ってもよい。このようにすれば、エネルギー効率を高めることができる。

＜外部電源による電池セルの充電＞
次に、外部電源による各ＢＭＣの電池セルの充電について説明する。本実施形態のモータシステム１０は、外部電源を接続することで各ＢＭＣの電池セルを充電することが可能である。図６に示すように、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各スタック１６の共通接続点２６の間に外部直流電源２８を接続することで、モータシステム１０が外部充電状態となる。外部直流電源２８は、例えばＣＨＡｄｅＭＯ（５００［Ｖ］）等の急速充電器である。外部直流電源２８に代えて、外部交流電源（家庭用電源の１００［Ｖ］或いは２００［Ｖ］等）を整流した電源を、共通接続点２６の間に接続してもよい。例えば、共通接続点２６の間に、モータシステム１０の一部として図７に示すような三相フルブリッジ整流回路３４を予め接続しておく。そして、図７に示すように、外部三相交流電源３０を三相フルブリッジ整流回路３４に接続すればよい。或いは、図８に示すように、外部単相交流電源３２を三相フルブリッジ整流回路３４のうち２相を利用する形態で接続すればよい。なお、図８に示す外部単相交流電源３２の場合には、単相フルブリッジ整流回路を用いる構成でもよい。

図６に示すように、モータシステム１０が外部充電状態となった際には、Ｕ相のスタック１６に充電電流Ｉｃｈｇｕが流れ、同様に、Ｖ，Ｗ相のスタック１６の各々に充電電流Ｉｃｈｇｖ，Ｉｃｈｇｗが流れる。制御部１２は、充電電流Ｉｃｈｇｕ，Ｉｃｈｇｖ，Ｉｃｈｇｗを、各クラスタ１８内のＣＭＣとＢＭＣを選択的にオン状態、オフ状態にすることで調整する。また、充電対象の電池セルを有するＢＭＣをオン状態にする。

制御部１２は、外部直流電源２８の電源電圧Ｖｃｈｇに対して、各相のスタック１６の出力電圧を調整し、充電電流Ｉｃｈｇｕ，Ｉｃｈｇｖ，Ｉｃｈｇｗを調整する。例えば、１相のスタック１６を構成する２つのクラスタ１８（例えばＣＳｕｈ，ＣＳｕｌ）の中の全ＢＭＣをオン状態にした時のスタック１６の出力電圧（以下、「ＢＭＣの総直列電圧」と言う）が、外部直流電源２８の電源電圧Ｖｃｈｇより小さい場合には、スタック１６に大きな充電電流が流れる虞がある。この場合には、所定個のＣＭＣをオン状態にして、キャパシタを間に入れることで、充電電流を抑制することができる。一方、ＢＭＣの総直列電圧が、外部直流電源２８の電源電圧Ｖｃｈｇより大きい場合には、１相のスタック１６を構成する２つのクラスタ１８（例えばＣＳｕｈ，ＣＳｕｌ）の中のオン状態にするＢＭＣの数を調整することで、スタック１６に十分な充電電流が流れる。また、制御部１２は、各電池セルの充電状態（充電率）に応じて、各ＢＭＣのオン状態とオフ状態とを切換える。

従来、このような外部電源によるバッテリの充電には、充電制御器（充電コントローラ）が必要であった。接続される外部電源のそれぞれに応じた（外部電源の電源電圧のそれぞれに応じた）充電制御器を車両に搭載する必要があった。そして、充電制御器により、各電池セルの充電状態に応じて各電池セルに流す充電電流を制御する必要があった。しかし、本実施形態のモータシステム１０は、上記したように、制御部１２がＣＭＣとＢＭＣのスイッチングアームを制御することで、充電電流を制御することが可能である。それにより、別途、充電制御器を車両に搭載する必要がなく、充電制御器の搭載スペースやコストを省くことができる。

なお、外部充電の際には、三相交流モータ１４の端子２４に電流が流れないように制御すれば、三相交流モータ１４にモータトルクが発生することはない。また、三相交流モータ１４の端子２４と、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のリアクトル２２のセンタータップとの間にスイッチを設けて、外部充電している間はそのスイッチをオフとすることで、三相交流モータ１４のモータトルク発生を確実に防止することもできる。

＜付記＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１０ モータシステム、１２ 制御部、１４ 三相交流モータ（モータ，多相交流モータ）、１６ スタック、１８ クラスタ、２０ キャパシタ基本モジュール回路（ＣＭＣ）、２１ 電池セル基本モジュール回路（ＢＭＣ）、２２ リアクトル（センタータップ付リアクトル）、２４ 端子、２６ 共通接続点、２８ 外部直流電源、３０ 外部三相交流電源、３２ 外部単相交流電源、３４ 三相フルブリッジ整流回路、３６ 充電状態検出部、３８ 故障検出部、５０Ｈ，５０Ｌ スイッチング素子、５２Ｈ，５２Ｌ ダイオード、５４Ｈ，５４Ｌ スイッチングアーム、５６ レグ（ハーフブリッジ）、５８ キャパシタ、６０ 電池セル、６２，６４ 端子。

Claims (7)

1. キャパシタと、半導体素子からなるスイッチングアームとを有し、当該スイッチングアームの制御により、端子間への前記キャパシタの電気的接続と、当該端子間の短絡とを切換え可能であるキャパシタ基本モジュール回路と、
   電池セルと、半導体素子からなるスイッチングアームとを有し、当該スイッチングアームの制御により、端子間への前記電池セルの電気的接続と、当該端子間の短絡とを切換え可能である電池セル基本モジュール回路と、
   をそれぞれ１個又は複数個直列に接続したクラスタを複数備え、
   前記キャパシタ基本モジュール回路と前記電池セル基本モジュール回路とのスイッチングアームを制御する制御部と、
   多相交流モータと、を備え、
   前記クラスタをセンタータップ付リアクトルを挟んで２個直列接続したスタックが、前記多相交流モータの相数と同数だけ並列接続されており、
   前記リアクトルのそれぞれのセンタータップと前記多相交流モータの端子とが接続されており、
   前記制御部は、
   前記多相交流モータの駆動要求又は回生要求に基づいて、選択的に所定個の前記キャパシタ基本モジュール回路および前記電池セル基本モジュール回路の前記電気的接続を行う、
   ことを特徴とするモータシステム。
2. 請求項１に記載のモータシステムであって、
   前記制御部は、
   前記多相交流モータの駆動運転又は回生運転において、各々の前記キャパシタ基本モジュール回路のキャパシタの電圧を制御する、
   ことを特徴とするモータシステム。
3. 請求項１又は２に記載のモータシステムであって、
   複数の前記スタックの共通接続点の間に、外部直流電源、又は、外部交流電源を整流した電源が接続された外部充電状態を有し、
   前記制御部は、
   前記外部充電状態において、充電対象の電池セルを有する電池セル基本モジュール回路の前記電気的接続を行う、
   ことを特徴とするモータシステム。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のモータシステムであって、
   前記制御部は、
   前記多相交流モータの回生運転において、前記キャパシタ基本モジュール回路の前記電気的接続を、前記電池セル基本モジュール回路のそれよりも優先的に行う、
   ことを特徴とするモータシステム。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のモータシステムであって、
   複数の前記電池セル基本モジュール回路の電池セルの各々の充電状態を検出する充電状態検出部を、さらに備え、
   前記制御部は、
   各々の電池セルの充電状態が均一になるように、各々の前記電池セル基本モジュール回路のスイッチングアームを制御する、
   ことを特徴とするモータシステム。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のモータシステムであって、
   複数の前記キャパシタ基本モジュール回路のキャパシタの各々、および複数の前記電池セル基本モジュール回路の電池セルの各々の故障を検出する故障検出部を、さらに備え、
   前記制御部は、
   故障が検出されたキャパシタを有するキャパシタ基本モジュール回路の前記短絡を行い、故障が検出された電池セルを有する電池セル基本モジュール回路の前記短絡を行う、
   ことを特徴とするモータシステム。
7. 請求項１または２に記載のモータシステムであって、
   前記制御部は、
   前記多相交流モータの運転が終了した際に、前記キャパシタ基本モジュール回路のキャパシタに蓄えられているエネルギーを、前記電池セル基本モジュール回路の電池セルへ移すように、それらのスイッチングアームを制御する、
   ことを特徴とするモータシステム。

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