JP7099132B2

JP7099132B2 - 回転電機制御システム

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Publication number: JP7099132B2
Application number: JP2018141662A
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Inventors: 清隆松原; 誠中村; 大悟野辺; 隆士小俣
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Publication date: 2022-07-12
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Description

本開示は、回転電機制御システムに係り、特に、２つの電源と２つのインバータを有し、２つのインバータの出力が１つの回転電機に接続された構成における回転電機制御システムに関する。

特許文献１には、２つの電源と、２つのインバータを有し、２つのインバータの出力で１つのモータを駆動するモータシステムが開示されている。このシステムでは、スター結線のモータの各相について、直列接続した２つの巻線で構成し、一方のインバータを各相の巻線端に接続し、他方のインバータを巻線同士の中間点に接続する。したがって、一方のインバータからの出力で、直列接続した２つの巻線（第１の駆動巻線）を使用してモータを駆動し、他方のインバータからの出力で中間点から内側の巻線（第２駆動巻線）を使用してモータを駆動することができる。

特開２０００－３２４８７１号公報

２つの電源と２つのインバータを有し、２つのインバータの出力が１つの回転電機に接続された構成において、２つの電源を外部電力によって充電する方法として、２つの電源のそれぞれについて充電器を用いることが考えられる。この方法においては、外部電源をいずれの充電器に接続するかについて、ユーザの判断と手間が掛かり、例えば、夜間に充電する場合等では不便である。そこで、２つの電源の一方側にのみ充電器を設け、２つのインバータの制御によって、一方電源側から一方インバータと回転電機と他方インバータとを介して、他方電源に充電することが好ましいと考えられる。この方法によれば、外部電源を１つの充電器に接続するだけで、あとは制御に従って２つの電源にそれぞれ充電を行うことが可能で、ユーザの判断と手間を要しない。しかしながら、他方電源の充電は、一方電源側からの送電経路に回転電機等の抵抗成分が介在するために、充電器に直結される一方電源の充電に比べて、充電効率が低くなる。そこで、２つの電源と２つのインバータを有し、２つのインバータの出力が１つの回転電機に接続された構成において、一方電源に充電器を設けた場合に、他方電源の充電効率を向上させる回転電機制御システムが要望される。

本開示に係る回転電機制御システムは、第１電源の正極側母線及び負極側母線に接続された第１インバータと、第２電源の正極側母線及び負極側母線に接続された第２インバータと、第１インバータ及び第２インバータに接続された回転電機と、第１電源に接続され外部電力を供給する充電器と、制御装置と、を備え、制御装置は、回転電機を静止させた状態で第１インバータ及び第２インバータの動作を制御し、第１電源側から供給された電力を、第１インバータ、回転電機、及び第２インバータを介して第２電源に送電して第２電源を充電する外部電力充電部と、第２電源の充電状態を示す第２ＳＯＣが充電可能な範囲であり、且つ、第１電源の充電状態を示す第１ＳＯＣが充電を必要とするまでは低下していない場合に、回転電機の電力を第２電源の充電に優先して充当する電力充電部と、を含む。

上記構成の回転電機制御システムによれば、充電器に接続されていない第２電源の充電効率を向上させることが可能になる。

実施の形態に係る回転電機制御システムの構成図である。図１における制御装置のブロック図である。実施の形態に係る回転電機制御システムにおいて、外部電力による充電の場合の第２電源に送電される電力の流れを示す図である。実施の形態に係る回転電機制御システムにおいて、回転電機の電力による充電について第１電源と第２電源の間の優先手順を示すフローチャートである。図４の回生電力の流れの一例を示す図である。従来技術として、１つの電源と１つのインバータを有し、１つのインバータが回転電機に接続される構成について外部電力による充電を示す図である。比較例として、２つの電源と２つのインバータを有し、２つのインバータが回転電機に接続される構成について、２つの充電器を用いる場合の外部電力による充電を示す図である。

以下に図面を用いて本開示に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、車両に搭載される回転電機制御システムを述べるが、これは説明のための例示であって、車両搭載以外の用途に用いられてもよい。以下では、車両として、外部電源から充電できるプラグインハイブリッド車両を述べるが、これは説明のための例示であって、二次電池の電力で回転電機を駆動して走行する二次電池式電動車両であればよい。例えば、内燃機関を備えず、二次電池の電力のみで走行する電気自動車であってもよい。以下では、全ての図面において対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、プラグインハイブリッド車両に搭載される回転電機制御システム１０の構成図である。以下では、回転電機制御システム１０を、特に断らない限り、システム１０と呼ぶ。システム１０は、第１電源１２、第２電源１４、第１インバータ２０、第２インバータ２２、回転電機３０、充電器３２、及び制御装置６０を含む。

第１電源１２と第２電源１４とは、充放電が可能な二次電池である。二次電池としては、高電圧用のリチウムイオン組電池が用いられる。端子間電圧は、約２００Ｖから約３００Ｖである。リチウムイオン組電池は、単電池または電池セルと呼ばれる端子間電圧が１Ｖから数Ｖのリチウムイオン電池を複数個組み合わせたもので、上記の所定の端子間電圧を出力する。リチウムイオン組電池に代えて、ニッケル水素組電池等を用いてもよく、あるいは、電気二重層キャパシタ等の大容量コンデンサを用いてもよい。

第１インバータ２０は、第１電源１２側と回転電機３０側との間に配置される三相電力変換回路である。第２インバータ２２は、第２電源１４側と回転電機３０側との間に配置される三相電力変換回路である。第１電源１２と第１インバータ２０との間に設けられるコンデンサ１６と、第２電源１４と第２インバータ２２との間に設けられるコンデンサ１８は、平滑用コンデンサである。

第１インバータ２０と第２インバータ２２とは、基本構成が同じであるので、第１インバータ２０を主に述べる。第１インバータ２０の第１電源１２側は、第１電源１２の正極側母線４０と負極側母線４１の間に接続され、直流電力が入出力する側である。回転電機３０側は、三相電力線に接続され、三相交流電力が入出力する側である。第１インバータ２０は、回転電機３０を発電機として機能させるときは、回転電機３０からの交流三相回生電力を直流電力に変換し、第１電源１２側に充電電力として供給する交直変換機能を有する。また、回転電機３０をモータとして機能させるときは、第１電源１２側からの直流電力を交流三相駆動電力に変換し、回転電機３０に交流駆動電力として供給する直交変換機能を有する。かかる第１インバータ２０の動作は、制御装置６０の制御の下で行われる。

第１インバータ２０は、並列接続されたＵ相レグ４４、Ｖ相レグ４６、Ｗ相レグ４８の３つのレグを有する。各相レグはいずれも、直列接続された上アーム素子と下アーム素子とで構成される。例えば、Ｕ相レグ４４は、上アーム素子４４ａと下アーム素子４４ｂとが直列接続されて構成される。同様に、Ｖ相レグ４６は、上アーム素子４６ａと下アーム素子４６ｂとが直列接続され、Ｗ相レグ４８は、上アーム素子４８ａと下アーム素子４８ｂとが直列接続されて構成される。図1において下アーム素子４４ｂに代表させて示すように、各上アーム素子と下アーム素子は、いずれも、スイッチング素子５６と、スイッチング素子５６と逆方向に電流を流す整流素子５８とが並列接続されて構成される。スイッチング素子５６としては、例えばＩＧＢＴ等のトランジスタが用いられ、整流素子５８としては、例えば逆流ダイオードが用いられる。

同様に、第２インバータ２２の第２電源１４側は、正極側母線４２と負極側母線４３に接続され、直流電力が入出力する側であり、回転電機３０側は、三相電力線に接続され、三相交流電力が入出力する側である。第２インバータ２２は、並列接続されたＵ相レグ５０、Ｖ相レグ５２、Ｗ相レグ５４の３つのレグを有する。Ｕ相レグ５０は、上アーム素子５０ａと下アーム素子５０ｂとが直列接続され、Ｖ相レグ５２は、上アーム素子５２ａと下アーム素子５２ｂとが直列接続され、Ｗ相レグ５４は、上アーム素子５４ａと下アーム素子５４ｂとが直列接続されて、それぞれ構成される。

回転電機３０は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（ＭＧ）であって三相同期型回転電機である。回転電機３０は、第１インバータ２０及び第２インバータ２２を介して第１電源１２及び第２電源１４から電力が供給されるときはモータとして機能し、図示しないエンジンによる駆動時、あるいは車両の制動時には発電機として機能する。

回転電機３０は、Ｕ相コイル３０ｕ、Ｖ相コイル３０ｖ、Ｗ相コイル３０ｗを有する。Ｕ相コイル３０ｕ、Ｖ相コイル３０ｖ、Ｗ相コイル３０ｗのそれぞれの一端には、第１インバータ２０が接続され、Ｕ相コイル３０ｕ、Ｖ相コイル３０ｖ、Ｗ相コイル３０ｗのそれぞれの他端には、第２インバータ２２が接続される。Ｕ相コイル３０ｕの一端は、第１インバータ２０のＵ相レグ４４の上アーム素子４４ａと下アーム素子４４ｂの接続点に接続され、Ｕ相コイル３０ｕの他端は、第２インバータ２２のＵ相レグ５０の上アーム素子５０ａと下アーム素子５０ｂの接続点に接続される。Ｖ相コイル３０ｖの一端は、第１インバータ２０のＶ相レグ４６の上アーム素子４６ａと下アーム素子４６ｂの接続点に接続され、Ｖ相コイル３０ｖの他端は、第２インバータ２２のＶ相レグ５２の上アーム素子５２ａと下アーム素子５２ｂの接続点に接続される。Ｗ相コイル３０ｗの一端は、第１インバータ２０のＷ相レグ４８の上アーム素子４８ａと下アーム素子４８ｂの接続点に接続され、Ｗ相コイル３０ｗの他端は、第２インバータ２２のＷ相レグ５４の上アーム素子５４ａと下アーム素子５４ｂの接続点に接続される。

例えば、第１インバータ２０の上アーム素子のスイッチング素子５６をオンすることで回転電機３０の対応する相のコイルに向けて電流が流れ、下アーム素子のスイッチング素子５６をオンすることで回転電機３０の対応する相のコイルから電流が引き抜かれる。第２インバータ２２についても同様である。したがって、回転電機３０が力行の際には、第１電源１２からの電力が第１インバータ２０を介して回転電機３０に供給され、回生（発電）の際には回転電機３０からの電力が第１インバータ２０を介して第１電源１２に供給される。第２インバータ２０、第２電源１４についても、回転電機３０と同様の電力のやり取りを行う。

充電器３２は、外部電源からの充電プラグが挿入される充電口３３を有し、外部電源からの外部電力を第１電源１２の充電に適合する直流電力に変換する電力変換器を内蔵するプラグイン充電器である。充電口３３には、通常はオフ状態で、充電プラグが挿入されて外部充電が実行される場合にオンするリレーが設けられる。外部電力が商用交流電力である場合には、電力変換器は交直電力変換器であり、外部電力が直流電力である場合には、電力変換器は直流電圧変換器である。充電器３２の２つの電力供給線３４，３６は、それぞれ第１電源１２の正極側母線４０と負極側母線４１に接続される。

上記では、充電プラグ及び充電口３３を利用した有線のプラグイン充電を述べたが、有線のプラグイン充電に代えて、外部電源装置及び車両それぞれに設けられた共振コイルを利用した無線充電としてもよい。この場合、充電器３２は、車両に設けられた共振コイル（受電部）に接続される。いずれにしても、外部電力で充電（外部充電）する場合、車両、及び回転電機３０は、静止していることが望ましい。

制御装置６０は、車両の動作等に関する車両情報、第１電源１２及び第２電源１４の電圧及び充電状態に関する電源情報、回転電機３０の動作等に関する回転電機情報等に基づいて、第１インバータ２０と第２インバータ２２のスイッチング信号の生成制御を行う。ここでは、特に、第１電源１２、第２電源１４の充電制御のために、外部電力充電部６２と、電力充電部６４とを含む。外部電力充電部６２は、充電器３２を介して第１電源１２に供給された電力を第２電源１４側に送電して第２電源１４を充電する。電力充電部６４は、回転電機３０が回生状態等にある場合に、回生電力等を第２電源１４に積極的に優先して充当する。これらの詳細については後述する。

図２は、制御装置６０において、スイッチング信号の生成制御に関する部分のブロック図である。制御装置６０は、車両制御部７０、三相電圧指令算出部７２、及び、第１インバータ制御部７４と第２インバータ制御部７６とを含む。

車両制御部７０は、アクセルペダルの操作量、ブレーキペダルの操作量、車速等の車両走行に関する車両情報に基づき、回転電機３０の出力要求に関するトルク指令を算出する。第１電源１２及び第２電源１４の充電状態、温度等の電源情報、外部充電の指示状況や充電口３３と充電プラグの接続状況等の充電情報に基づき、外部充電が必要な場合には、トルク指令に変えて、充電指令を出力する。ここで、第１電源１２の充電状態を示す第１ＳＯＣをＳＯＣ１とし、第２電源１４の充電状態を示す第２ＳＯＣをＳＯＣ２とし、第１電源１２の温度をＴ１とし、第２電源１４の温度をＴ２とする。なお、道路状況や、目的地等のナビゲーション情報等も車両制御部７０に供給されるとよい。

算出されたトルク指令または充電指令は、三相電圧指令算出部７２の電流指令生成部８０に供給される。電流指令生成部８０は、トルク指令または充電指令に基づいて、回転電機３０のベクトル制御における目標となる電流指令であるｄ軸電流指令ｉｄｃｏｍとｑ軸電流指令ｉｑｃｏｍとを算出する。なお、外部充電を行なう場合の電流指令の算出形態については、後に詳説する。三相／二相変換部８２には、回転電機３０におけるＵ相コイル３０ｕ、Ｖ相コイル３０ｖ、Ｗ相コイル３０ｗの現在の電流である三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが供給される。また、第１電源１２の第１電源電圧ＶＢ１、第２電源１４の第２電源電圧ＶＢ２、回転電機３０のロータ回転角θも三相／二相変換部８２に供給される。そして、三相／二相変換部８２は、各相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを、ｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑとに変換する。電流指令生成部８０からのｄ軸電流指令ｉｄｃｏｍ及びｑ軸電流指令ｉｑｃｏｍと、三相／二相変換部８２からの現在のｄ軸電流ｉｄ及びｑ軸電流ｉｑとは、ＰＩ制御部８４に供給される。ＰＩ制御部８４は、Ｐ（比例）制御、Ｉ（積分）制御等のフィードバック制御により、回転電機３０に対する電圧指令である電圧ベクトルＶを算出する。電圧ベクトルＶは、ｄ軸電圧指令ｖｄとｑ軸電圧指令ｖｑとを含む。なお、予測制御等のフィードフォワード制御を組み合わせてもよい。

算出された電圧ベクトルＶは、分配部８６に供給される。分配部８６は、電圧ベクトルＶを、第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１と、第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２とに分配する。電圧ベクトルＶ１は、第１インバータ２０に対するｄ軸電圧指令ｖｄ１とｑ軸電圧指令ｖｑ１とを含み、電圧ベクトルＶ２は、第２インバータ２２に対するｄ軸電圧指令ｖｄ２とｑ軸電圧指令ｖｑ２とを含む。

分配部８６の電圧ベクトルの分配において、回転電機３０に対する電圧ベクトルＶを維持しつつ、第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１及び第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２のそれぞれの大きさの変更を行うことができる。また、回転電機３０に対する電圧ベクトルＶを維持しつつ、第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１及び第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２のそれぞれの位相の変更を行うことができる。位相の変更として電流ベクトルＩの位相との間を調整することで、力率の変更ができる。また、回転電機３０に対する電圧ベクトルＶを維持しつつ、第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１及び第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２のそれぞれの正負の変更を行うことができる。電圧ベクトルの向きにより、力行か回生かは変わるので、回転電機３０に対する電圧ベクトルＶを維持しつつ、第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１及び第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２の間で、力行と回生の分配を行うことが可能である。このように、電圧ベクトルＶの分配を通して、回転電機３０の動作制御の自由度が向上する。

分配部８６からの第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１を構成するｄ軸電圧指令ｖｄ１とｑ軸電圧指令ｖｑ１は、第１インバータ２０用の二相／三相変換部８８に供給される。入力されたｖｄ１，ｖｑ１は、第１インバータ２０用の三相の電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１に変換されて出力される。同様に、第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２を構成するｄ軸電圧指令ｖｄ２とｑ軸電圧指令ｖｑ２は、第２インバータ２２用の二相／三相変換部９０に供給され、第２インバータ２２用の三相の電圧指令Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２に変換されて出力される。

第１インバータ２０用の二相／三相変換部８８からの三相の電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１は第１インバータ制御部７４に供給される。第１インバータ制御部７４は、ＰＷＭ用の搬送波である三角波と電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１の比較によって第１インバータ２０における各スイッチング素子５６のＯＮ／ＯＦＦ用のスイッチング信号を生成し、これを第１インバータ２０に供給する。

同様に、第２インバータ２２用の二相／三相変換部９０からの三相の電圧指令Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２は第２インバータ制御部７６に供給される。第２インバータ制御部７６は、ＰＷＭ用の搬送波である三角波と電圧指令Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２の比較によって第２インバータ２２における各スイッチング素子５６のＯＮ／ＯＦＦ用のスイッチング信号を生成し、これを第２インバータ２２に供給する。

このようにして、制御装置６０からの信号によって、第１インバータ２０、第２インバータ２２のスイッチングが制御され、所望の電流が回転電機３０に供給される。

上記では、ｄ軸電流指令ｉｄｃｏｍ、ｑ軸電流指令ｉｑｃｏｍ等に基づいてＰＩ演算することで、回転電機３０に対する電圧ベクトルＶを算出した。そして、これを分配して、第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１と第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２を算出した。これに代えて、ＰＩ演算を行なわずに、直接的に、第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１と第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２を生成してもよい。例えば、外部充電時に第２電源１４に供給する電力（充電電力）と、第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１及び、第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２との相関関係の関連マップを記憶しておく。第２電源１４の充電が指示された場合は、この関連マップを参照して、充電電力に対応する電圧ベクトルＶ１及び電圧ベクトルＶ２を読み出してもよい。

上記では、三相電圧指令算出部７２は、車両制御部７０と別の構成とした。これに代えて、車両制御部７０が三相電圧指令算出部７２の機能を実行してもよい。あるいは、三相電圧指令算出部７２を下位のマイクロプロセッサ等で構成してもよい。三相電圧指令算出部７２の一部または全部をハードウェアで構成してもよい。また、三相電圧指令算出部７２を複数のマイクロプロセッサで構成することができ、この場合には、三相電圧指令算出部７２の機能を各マイクロプロセッサで分担して実行することができる。あるいは、複数のマイクロプロセッサで構成する場合、各マイクロプロセッサが、三相電圧指令算出部７２の全体の処理を実行できるように構成してもよい。また、回転電機制御システム１０において第１インバータ２０と第２インバータ２２の制御を２つのマイクロプロセッサを用いて制御してもよい。この構成によれば、１つのマイクロプロセッサが故障しても他のマイクロプロセッサのみで回転電機３０の動作制御が可能となる。

次に、制御装置６０における外部電力充電部６２と電力充電部６４について述べる。最初に、外部電力充電部６２について述べ、その後で、電力充電部６４について述べる。

外部電力充電部６２は、充電器３２から外部電力を第１電源１２に給電して第１電源１２を充電する。さらに、回転電機３０を静止させた状態で第１インバータ２０及び第２インバータ２２の動作を制御し、第１電源１２に供給された電力を、第１インバータ２０、回転電機３０、及び第２インバータ２２を介して第２電源１４に送電して第２電源１４を充電する。

第１電源１２の外部充電が上位の制御装置から指示された場合には、三相電圧指令算出部７２は、第１インバータ２０及び第２インバータ２２の双方をシャットダウン（全アームオフ）したうえで、充電器３２と第１電源１２の間に介在するリレーをオンする。これにより、充電器３２から外部電力を第１電源１２に給電して第１電源１２を充電することができる。

充電器３２が接続されていない第２電源１４の外部充電が上位の制御装置から指示された場合には、三相電圧指令算出部７２は、「シャットダウン方式」または「回生方式」を用いて、第１電源１２または充電器３２からの電力を第２電源１４に送電する。最初にシャットダウン方式による外部充電を述べ、その後に、回生方式による外部充電を述べる。

シャットダウン方式による第２電源１４の外部充電は、第２インバータ２２の全アームをオフにしたシャットダウン状態にして行われる。そして、第１インバータ２０は、回転電機３０の電流指令としてｑ軸電流指令ｉｑｃｏｍをゼロ、ｄ軸電流指令ｉｄｃｏｍを一定値（ゼロ以外）とする力行駆動状態にして行われる。トルク電流であるｑ軸電流指令ｉｑｃｏｍがゼロとなることで、回転電機３０の出力トルクもゼロとなり、回転電機３０は、静止した状態を維持する。また、第１インバータ２０からの電流は、回転電機３０のＵ相コイル３０ｕ、Ｖ相コイル３０ｖ、Ｗ相コイル３０ｗを経た後、第２インバータ２２の整流素子５８である逆流ダイオードを介して第２電源１４へ流れる。これにより、第２電源１４に送電が行われ、第２電源１４が充電される。なお、このシャットダウン方式の外部充電は、電力供給側（第１電源１２または充電器３２）の電位が、受電側（第２電源１４）の電位よりも高くなければならない。

図２を参照して、シャットダウン方式での外部充電の制御の流れをより具体的に説明する。電流指令生成部８０は、車両制御部７０から第２電源１４の外部充電を指示されると、回転電機３０の電流指令として、ｄ軸電流指令ｉｄｃｏｍ＝Ｉａ、ｑ軸電流指令ｉｑｃｏｍ＝０を出力する（なお、Ｉａ≠０）。なお、ｄ軸電流指令ｉｄｃｏｍの値Ｉａは、第２電源１４の状態（例えば許容できる最大入力電力値、ＳＯＣ等）や、外部電力（外部電力装置の最大出力電力値等）の状態等に応じて設定される。

電流指令生成部８０から電流指令が出力されると、ＰＩ制御部８４は、通常の制御と同様に、回転電機３０に対する電圧指令である電圧ベクトルＶを算出する。分配部８６は、電圧ベクトルＶを第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１と第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２に分配する。ここで、第２インバータ２２については全アームをオフしてシャットダウンするため、回転電機３０に対する電圧ベクトルＶは、第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１に１００％を、第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２に０％を分配する。分配部８６は、１００％に分配された電圧ベクトルＶ１を第１インバータ２０用の二相／三相変換部８８に出力し、シャットダウンとして０％に分配された電圧ベクトルＶ２を第２インバータ２２用の二相／三相変換部９０に出力する。

第１インバータ２０用の二相／三相変換部８８は、１００％に分配された電圧ベクトルＶ１に応じた電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１を出力し、第１インバータ制御部７４は、この電圧指令に応じたスイッチング信号を生成し、第１インバータ２０を駆動させる。第２インバータ２２用の二相／三相変換部９０は、０％に分配された電圧ベクトルＶ２に対応して、電圧指令Ｖｕ２＝Ｖｖ２＝Ｖｗ２＝０を出力する。電圧指令Ｖｕ２＝Ｖｖ２＝Ｖｗ２＝０を受け取った第２インバータ制御部７６は、第２インバータ２２の全アームをオフにして、第２インバータ２２をシャットダウンさせる。

上記制御においては、電流指令は、ｑ軸電流指令ｉｑｃｏｍ＝０、ｄ軸電流指令ｉｄｃｏｍ＝Ｉａであるので、回転電機３０の発生トルクはゼロとなり、回転電機３０の回転数もゼロとなり、回転電機３０は静止状態である。回転電機３０が静止状態であるので、回転電機３０のＵ相コイル３０ｕ、Ｖ相コイル３０ｖ、Ｗ相コイル３０ｗのそれぞれに流れる電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗは直流となる。第１インバータ２０は、ｉｑｃｏｍ＝０、ｉｄｃｏｍ＝Ｉａを満たすように駆動されることで、出力電力が正の値の力行状態（エネルギー消費状態）となる。一方、第２インバータ２２は、整流素子５８を通じて電流が流れ込むため、出力電力が負の値の回生状態（エネルギー回収状態）となるので、第２電源１４が充電される。

次に、回生方式での外部充電方法を述べる。回生方式で第２電源１４を外部充電する場合には、回転電機３０の電流指令としてｑ軸電流指令ｉｑｃｏｍをゼロ、ｄ軸電流指令ｉｄｃｏｍを一定値（ゼロ以外）になるように、第１インバータ２０を力行駆動し、第２インバータ２２を回生駆動する。トルク電流であるｑ軸電流指令ｉｑｃｏｍがゼロとなることで、回転電機３０の出力トルクもゼロとなり、回転電機３０は、静止した状態を維持する。その状態で、分配部８６は、第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１を正の値の力行状態とし、第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２を負の値の回生状態として、Ｖ１とＶ２の合成ベクトルが回転電機３０に対する電圧ベクトルＶと等しくなるように分配する。第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２を負の値の回生状態（エネルギー回収状態）とすることで、第２電源１４が充電される。

図２を参照して、回生方式で第２電源１４を外部充電する際の制御の流れをより具体的に説明する。電流指令生成部８０は、車両制御部７０から第２電源１４の外部充電が指示されると、回転電機３０の電流指令として、ｄ軸電流指令ｉｄｃｏｍ＝Ｉａ、ｑ軸電流指令ｉｑｃｏｍ＝０を出力する（なお、Ｉａ≠０）。

電流指令生成部８０から電流指令が出力されると、ＰＩ制御部８４は、通常の制御と同様に、回転電機３０に対する電圧ベクトルＶを算出する。分配部８６は、電圧ベクトルＶを第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１と第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２に分配する。分配部８６は、第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１を正の値の力行状態とし、第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２を負の値の回生状態として、Ｖ１とＶ２の合成ベクトルが回転電機３０に対する電圧ベクトルＶと等しくなるように分配する。分配部８６は、この分配結果に応じた第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１を第１インバータ２０用の二相／三相変換部８８に出力し、第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２を第２インバータ２２用の二相／三相変換部９０に出力する。

第１インバータ２０用の二相／三相変換部８８は、正の値に分配された電圧ベクトルＶ１に応じた電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１を出力し、第１インバータ制御部７４は、この電圧指令に応じたスイッチング信号を生成し、第１インバータ２０を力行駆動させる。第２インバータ２２用の二相／三相変換部９０は、負の値に分配された電圧ベクトルＶ２に応じた電圧指令Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２を出力し、第２インバータ制御部７６は、この電圧指令に応じたスイッチング信号を生成し、第２インバータ２０を回生駆動させる。

回生方式の外部充電では、電流ベクトルＩは、ｑ軸成分（ｑ軸電流）がゼロであり、ｄ軸成分（ｄ軸電流）が一定値となる。また、回転電機３０に対する電圧ベクトルＶは、ｑ軸成分（ｑ軸電圧）が、ゼロであり、ｄ軸成分（ｄ軸電圧）が、一定値となる。そして、第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１の位相は電圧ベクトルＶと同一位相とし、且つ、第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１の大きさは、回転電機３０に対する電圧ベクトルＶよりも大きくする。第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２は、第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１の位相と１８０度反転する。また、第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２の大きさは、第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１の大きさから、回転電機３０に対する電圧ベクトルＶの大きさを引いた値とする。これにより、第１インバータ２０は、力行状態（エネルギー消費状態）となり、第２インバータ２２は、回生状態（エネルギー回収状態）となり、第２電源１４が充電される。なお、この回生方式の場合、電力供給側（第１電源１２または充電器３２）の電位が、受電側（第２電源１４）の電位よりも低くても、充電が可能となる。

シャットダウン方式及び回生方式のいずれで充電するかは、状況に応じて、適宜、切り替えてよい。例えば、シャットダウン方式を採用した方が、制御が容易であり、スイッチングロスを低減できるため、送電側（第１電源１２または充電器３２）の電位が、受電側（第２電源１４）の電位より高い場合には、原則、シャットダウン方式で充電することが好ましい。

上記で述べた構成は、一例であり、回転電機３０を静止させた状態で、第１インバータ２０からの電力を、第２インバータ２２を経て、第２電源１４に送るのであれば、その他の構成は、適宜、変更されてもよい。例えば、上記では、回転電機３０を静止させるために、ｑ軸電流ｉｑをゼロとしているが、ｑ軸電流ｉｑは、回転電機３０の静止トルク未満であれば、ゼロより大きくてもよい。また、ｑ軸電流ｉｑを制御するのではなく、回転電機３０を、機械的なブレーキで静止させてもよい。

以上で、制御装置６０における外部電力充電部６２の説明が終了したので、次に、電力充電部６４について述べる。

図３は、外部電力充電部６２による外部電力による充電において、第２電源１４に送電される電力の流れを示す図である。第１電源１２側に充電器３２が設けられる構成において、充電器３２から、あるいは第１電源１２から、電力を送電して第２電源１４を充電する場合には、送電経路１００に第１インバータ２０と、回転電機３０、及び第２インバータ２２が存在する。外部電力充電部６２においてシャットダウン方式を用いる場合も回生方式を用いる場合も回転電機３０は静止状態であるので、Ｕ相コイル３０ｕ、Ｖ相コイル３０ｖ、Ｗ相コイル３０ｗのそれぞれに流れる電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗは直流となる。したがって、Ｕ相コイル３０ｕ、Ｖ相コイル３０ｖ、Ｗ相コイル３０ｗは抵抗素子として作用する。また、外部電力充電部６２においてシャットダウン方式を用いる場合も回生方式を用いる場合も、第１インバータ２０は力行状態で、エネルギー消費状態である。したがって、送電経路１００に電力を送電する場合に損失が発生し、充電器３２に接続された第１電源１２への充電の効率に比べて、充電器３２から離れた第２電源１４への充電の効率が低下する。電力充電部６４は、外部充電における送電経路１００に起因する充電効率の低下を補って、第２電源１４の充電効率を向上させるために、回転電機３０が回生状態等にある場合に、電力を第２電源１４の充電に積極的に優先的に充当する処理を行う。

図４は、回転電機３０が回生状態等の場合に、回生電力等による充電について電力充電部６４が実行する手順を示すフローチャートである。最初に、回転電機３０が回生状態か否かが判定される（Ｓ１０）。Ｓ１０の回生状態は、外部充電における回生方式の回生状態と異なり、車両が走行中の回生状態を示し、回転電機３０がエンジンによって発電されている状態あるいは車両が制動状態で回転電機３０が発電機として回転している状態をいう。回生電力等とは、回生状態の他に、力行状態でも充電が可能であるため、外部充電と区別して回転電機３０の電力であることを示すためである。Ｓ１０の判定が否定される場合は、回生電力等による充電は行われない（Ｓ１８）。

Ｓ１０の判定が肯定される場合は、次に、第２電源１４のＳＯＣ２がこれ以上充電できない上限値であるＳＯＣ_ＵＬ以上か否かが判定される（Ｓ１２）。ＳＯＣ_ＵＬは、第２電源１４が過充電状態となる場合のＳＯＣで、第２電源１４の仕様、充放電履歴等で定まる。以下では、第１電源１２と第２電源１４は、仕様と充放電履歴が同じとして、同じＳＯＣ_ＵＬを有するものとするが、場合によって、第１電源１２のＳＯＣ_ＵＬと第２電源１４のＳＯＣ_ＵＬを異なるものとしてよい。Ｓ１２の判定が肯定される場合は、次に、第１電源１４のＳＯＣ１が、これ以上充電できない上限値であるＳＯＣ_ＵＬ以上か否かかが判定される（Ｓ１４）。Ｓ１４の判定が肯定される場合は、第１電源１２も第２電源１４もこれ以上充電できない状態であるので、回生電力等による充電が不可能な状態である（Ｓ２０）。Ｓ１４の判定が否定される場合は、第２電源１４の充電は不可能であるが、第１電源１２の充電が可能であるので、回生電力等は第１電源１２の充電に優先的に充当される（Ｓ２２）。

Ｓ１２の判定が否定される場合は、第２電源１４が充電可能な状態であるが、第１電源１２も充電可能な状態であり得る。そこで、回生電力等の回転電機３０の電力の充当の優先順位を定めるために、第１電源１２のＳＯＣ１が、充電を必要とする下限値であるＳＯＣ_ＬＬ以下か否かかが判定される（Ｓ１６）。ＳＯＣ_ＬＬは、第１電源１２が過放電状態となる場合のＳＯＣで、第１電源１２の仕様、充放電履歴等で定まる。Ｓ１６が肯定される場合には、充電を必要とする第１電源１２の充電に回生電力等が優先的に充当される（Ｓ２４）。Ｓ１６が否定される場合には、充電可能な状態である第２電源１４の充電に回生電力等が優先的に充当される（Ｓ２６）。

図５は、回転電機３０が回生状態にある場合に、回転電機３０の回生電力が第２電源１４に向かって流れる送電経路１０２を示す図である。このように、電力充電部６４は、回転電機３０が回生状態にあって、第２電源１４のＳＯＣ２が充電可能な範囲であり、且つ、第1電源１２のＳＯＣ１が充電を必要とするまでは低下していない場合に、回生電力を第２電源１４の充電に優先的に充当する。外部充電において、充電器３２が接続されない第２電源１４への送電経路１００に電力を送電する場合に損失が発生し、第２電源１４の充電効率が低下するが、回転電機３０が車両走行中の回生状態等にある場合に電力を第２電源１４の充電に積極的に回して補う。これにより、外部電源に対し非接続側に配置される第２電源１４の充電効率が向上する。

上記構成の作用効果について、従来技術等と比較してさらに説明する。図６は、従来技術の回転電機制御システム１０４の構成図である。回転電機制御システム１０４は、１つの第１電源１２、電圧変換器１０６、１つの第１インバータ２０、回転電機３０で構成される回転電機駆動システムにおいて、第１電源１２に充電器３２を接続し、充電口３３を用いて外部充電する。ここでは、電源は第１電源１２の１つであるので、１つの充電器３２を設けることで、外部充電が可能で、図３で述べた充電効率の低下の課題が生じない。これに対し、図１、図２の回転電機制御システム１０においては、第１電源１２と第２電源１４の２つの電源、及び、第１インバータ２０と第２インバータ２２の２つのインバータを備え、三相電圧指令算出部７２に分配部８６を有する。分配部８６は、回転電機３０に対する電圧ベクトルＶを第１インバータ２０用の電圧ベクトルＶ１と第２インバータ２２用の電圧ベクトルＶ２に分配でき、この分配を通して、回転電機３０の動作制御の自由度が、図６の構成よりも格段に向上させることができる。

図７は、比較例として、図１の回転電機制御システム１０において、第１電源１２に充電器３２ａを接続するとともに、さらに、第２電源１４に充電器３２ｂを接続した回転電機制御システム１０８を示す図である。充電器３２ａは第１電源１２を外部充電でき、充電器３２ｂは第２電源１４を外部充電できるので、図３で述べた送電経路１００が生じず、第２電源１４の充電効率が低下することもない。回転電機制御システム１０８において、第１電源１２を外部充電する場合は、外部電源の充電プラグを充電器３２ａの充電口３３ａに挿入する。第２電源１４を外部充電する場合は、外部電源の充電プラグを充電器３２ｂの充電口３３ｂに挿入する。外部電源の充電プラグが１つである場合には、例えば第１電源１２を充電した後に、充電口３３ａに挿し込まれた充電プラグを、第２電源１４用の充電口３３ｂに挿し替える必要がある。充電プラグの挿し替えは、手間が掛り、特に、自宅等で夜間に充電する場合に挿し替えが困難で、利便性がよくない。また、車両に２つの充電口３３ａ，３３ｂ、及び２つの充電器３２ａ，３２ｂを設けることでコストアップになる。

これに対し、図１、図２の回転電機制御システム１０においては、充電器３２は１つで済み、コスト増がなく、充電プラグの挿し替えもなく、利便性がよい。また、外部充電における第２電源１４の充電効率の低下は、制御装置６０の電力充電部６４の作用によって、回転電機３０が回生状態等の場合の電力を第２電源１４の充電に優先的、積極的に回すことで補えるので、充電効率の向上を図ることができる。

１０，１０４，１０８（回転電機制御）システム、１２第１電源、１４第２電源、１６，１８コンデンサ、２０第１インバータ、２２第２インバータ、３０回転電機、３０ｕＵ相コイル、３０ｖＶ相コイル、３０ｗＷコイル、３２，３２ａ，３２ｂ充電器、３３，３３ａ，３３ｂ充電口、３４，３６電力供給線、４０，４２正極側母線、４１，４３負極側母線、４４，５０Ｕ相レグ、４４ａ，４６ａ，４８ａ，５０ａ，５２ａ，５４ａ上アーム素子、４４ｂ，４６ｂ，４８ｂ，５０ｂ，５２ｂ，５４ｂ下アーム素子、４６，５２Ｖ相レグ、４８，５４Ｗ相レグ、５６スイッチング素子、５８整流素子、６０制御装置、６２外部電力充電部、６４電力充電部、７０車両制御部、７２三相電圧指令算出部、７４第１インバータ制御部、７６第２インバータ制御部、８０電流指令生成部、８２三相／二相変換部、８４ＰＩ制御部、８６分配部、８８第１インバータ用の二相／三相変換部、９０第２インバータ用の二相／三相変換部、１００，１０２送電経路、１０６電圧変換器。

Claims

第１電源の正極側母線及び負極側母線に接続された第１インバータと、
第２電源の正極側母線及び負極側母線に接続された第２インバータと、
前記第１インバータ及び前記第２インバータに接続された回転電機と、
前記第１電源に接続され外部電力を供給する充電器と、
制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記回転電機を静止させた状態で前記第１インバータ及び前記第２インバータの動作を制御し、第１電源側から供給された電力を、前記第１インバータ、前記回転電機、及び前記第２インバータを介して前記第２電源に送電して前記第２電源を充電する外部電力充電部と、
前記第２電源の充電状態を示す第２ＳＯＣが充電可能な範囲であり、且つ、前記第１電源の充電状態を示す第１ＳＯＣが充電を必要とするまでは低下していない場合に、前記回転電機の電力を前記第２電源の充電に優先して充当する電力充電部と、を含む、回転電機制御システム。