JP2010206880A - Vehicle power supply - Google Patents
Vehicle power supply Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010206880A JP2010206880A JP2009047232A JP2009047232A JP2010206880A JP 2010206880 A JP2010206880 A JP 2010206880A JP 2009047232 A JP2009047232 A JP 2009047232A JP 2009047232 A JP2009047232 A JP 2009047232A JP 2010206880 A JP2010206880 A JP 2010206880A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- power
- converter
- power supply
- voltage
- generator
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Ac-Ac Conversion (AREA)
Abstract
【課題】小型化・長寿命化を図りつつ、発電機から電気負荷への電力供給を効率的に行うことができる車両用電源装置を提供すること。
【解決手段】交流電力を発電する発電機170と、交流電力により駆動される電気負荷180とを電気的に接続する接続部を有し、前記接続部は、入力された交流電力を別の特性の交流電力に変換するAC/AC変換部(マトリクスコンバータ110)を有する。
【選択図】図1An object of the present invention is to provide a vehicle power supply device capable of efficiently supplying power from a generator to an electric load while reducing the size and extending the life.
A generator 170 that generates AC power and an electric load 180 driven by the AC power are electrically connected, and the connection unit converts the input AC power into another characteristic. AC / AC conversion unit (matrix converter 110) for converting the AC power into the AC power.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、自動車などの車両に用いられる車両用電源装置に関する。 The present invention relates to a vehicle power supply device used in a vehicle such as an automobile.
近年、環境保護の観点からハイブリッドカーおよび電気自動車が注目されており、その開発が急速に進められている。これらの自動車は、二次電池を有する電源からの直流電力を交流電力に変換して、交流電力によりモータを駆動することによって、駆動輪の駆動力を得る構成を有する。なお、ハイブリッドカーは、エンジンと電動機とを共用する電気自動車であり、広義では電気自動車の一種である。したがって、本明細書では、便宜上、特に断らない限り、「電気自動車」という用語を、ハイブリッドカーを含む広義の意味で使用する。 In recent years, hybrid cars and electric cars have attracted attention from the viewpoint of environmental protection, and their development has been rapidly advanced. These automobiles have a configuration in which driving power of driving wheels is obtained by converting DC power from a power source having a secondary battery into AC power and driving the motor with AC power. A hybrid car is an electric vehicle that shares an engine and an electric motor, and is a kind of electric vehicle in a broad sense. Therefore, in this specification, for the sake of convenience, unless otherwise specified, the term “electric vehicle” is used in a broad sense including a hybrid car.
上記構成を動力源として有する電気自動車に用いられる従来の車両用電源装置として、例えば、特許文献1に記載されたものが知られている。特許文献1には、電気自動車において、発電機から電気負荷に交流電力を供給する場合において、例えば、三相交流を任意の三相交流に変換する場合に、コンバータ(AC/DC変換)を用いて交流から直流に変換し、そして、DC/DCコンバータを用いて直流電圧を変更した後、インバータ(DC/AC変換)を用いて直流から任意の三相交流に再び変換する構成が開示されている。
しかしながら、上記した従来の車両用電源装置にあっては、交流を任意の交流に変換する場合、多段階の変換を行うため、変換時に損失が発生し、変換効率が低下するという問題がある。また、DC/DCコンバータに平滑コンデンサを用いるため、小型化・長寿命化の点でも問題がある。 However, in the above-described conventional vehicle power supply device, when alternating current is converted into arbitrary alternating current, since multi-stage conversion is performed, there is a problem in that loss occurs during conversion and conversion efficiency decreases. Further, since a smoothing capacitor is used for the DC / DC converter, there is a problem in terms of miniaturization and long life.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、小型化・長寿命化を図りつつ、発電機から電気負荷への電力供給を効率的に行うことができる車両用電源装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and provides a vehicle power supply device capable of efficiently supplying power from a generator to an electric load while reducing the size and extending the service life. With the goal.
本発明の車両用電源装置は、交流電力を発電する発電機と、交流電力により駆動される電気負荷とを電気的に接続する接続部を有し、前記接続部は、入力された交流電力を別の特性の交流電力に変換するAC/AC変換部を有する、構成を採る。好ましくは、AC/AC変換部は、マトリックスコンバータである。 The power supply device for a vehicle according to the present invention has a connection portion that electrically connects a generator that generates AC power and an electric load driven by the AC power, and the connection portion receives the input AC power. A configuration having an AC / AC conversion unit that converts AC power into another characteristic is adopted. Preferably, the AC / AC conversion unit is a matrix converter.
本発明によれば、小型化・長寿命化を図りつつ、発電機から電気負荷への電力供給を効率的に行うことができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electric power supply from a generator to an electric load can be performed efficiently, aiming at size reduction and long life.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の一実施の形態に係る車両用電源装置を含む電源システムの基本構成を示すブロック図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of a power supply system including a vehicle power supply device according to an embodiment of the present invention.
図1に示す電源システム100は、マトリクスコンバータ110、AC/DCコンバータ120、電源130、バッテリセンサ132、ECU(Electronic Control Unit:エンジンコントロールユニット)140、発電機170、および車載の電気負荷180を有する。上記構成要素のうち、マトリクスコンバータ110、AC/DCコンバータ120、電源130、バッテリセンサ132、およびECU140は、電源装置を構成する。
A
発電機170は、モータ(例えば、三相モータ)を有する。このモータは、典型的にはモータジェネレータにおけるモータであり、車両のエンジン始動時に作動するスタータとしての機能と、車両の減速時または制動時に駆動輪から伝達された動力によって回転して運動エネルギーを電気エネルギ(回生エネルギ)に変換する発電機としての機能と、を兼備している。このエネルギー変換により生成された交流電力は、マトリクスコンバータ110およびAC/DCコンバータ120に供給される。例えば、発電機170が三相モータの場合は、三相交流UG、VG、WGが出力される。
The
発電機170(例えば、三相モータ)の回転角θGは、発電機170に取り付けられた回転角センサ172によって検出される。
A rotation angle θ G of the generator 170 (for example, a three-phase motor) is detected by a
車載の電気負荷180は、例えば、車室内空調用のコンプレッサを駆動するためのモータ(例えば、三相モータ)である。すなわち、このコンプレッサは、モータ駆動型のコンプレッサ(つまり、電動コンプレッサ)である。したがって、このコンプレッサは、インバータ制御およびこまめなオンオフ制御が可能となり、エンジン駆動型のコンプレッサに比べて大幅なエネルギ効率化を実現することができる。例えば、電気負荷180が三相モータの場合は、三相交流UD、VD、WDが入力される。
The in-vehicle
電気負荷180(例えば、三相モータ)の回転角θDは、電気負荷180に取り付けられた回転角センサ182によって検出される。
The rotation angle θ D of the electric load 180 (for example, a three-phase motor) is detected by a
電源130は、充放電が可能な二次電池を有する。車両制動時に回生エネルギーとして回収する回生システムでは、図示しない従来システムに用いられていた電源に加えてもう1つ電源が設けられている。従来システムに相当する電源を主電源と、他方を副電源とそれぞれ呼ぶこととする。通常、主電源は、エンジン始動時に必要となる負荷耐性や連続充電への耐性などがある二次電池(例えば、Pb系電池)のセルユニットを含み、副電源は、時間変動性が激しい回生エネルギーを効率的に回収するため、主電源に比べて充放電特性が優れたタイプの二次電池(例えば、Ni系電池やLi系電池、コンデンサなど)のセルユニットを含む。電源130は、副電源に相当する。すなわち、電源130は、回生エネルギーを効率的に回収して電気負荷180に電力を供給するため、充放電特性が優れたタイプの二次電池であることが好ましい。
The
なお、電源130は、単一のセルユニットから構成されていてもよいし、複数のセルユニットを直列接続することにより構成されていてもよい。
In addition, the
また、電源130に蓄えられた電力は、駆動輪の駆動に用いられない場合、電源130の容量を低減させ、サイズを小型化することができる。
Moreover, when the electric power stored in the
マトリクスコンバータ110の入力端子は発電機170に接続され、マトリクスコンバータ110の出力端子は電気負荷180に接続されている。マトリクスコンバータ110は、AC/AC変換部として、入力された交流電力を別の特性(電圧、周波数、位相)の交流電力に変換する。すなわち、マトリクスコンバータ110は、電源電圧を直接PWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)制御して、任意の電圧・周波数・位相を出力する直接変換型電力変換装置であり、交流を所望の交流に直接変換する機能を有する。マトリクスコンバータ110により所望の交流に変換された交流電力は、電気負荷180に供給される。また、後述するように、マトリクスコンバータ110は、ECU140からの制御信号を受信するよう構成され、この制御信号に従って動作する。
An input terminal of the
本発明の1つの特徴は、交流電源から交流負荷へ電力供給する電力変換システムの一適用例として、図1に示すように、マトリクスコンバータ110を介して発電機170に直接電気負荷180を接続する構成を採る点にある。これにより、発電機→コンバータ(AC/DC変換)→DC/DCコンバータ(電圧変更)→インバータ(DC/AC変換)→電気負荷であった従来の構成が、発電機→マトリクスコンバータ→電気負荷という構成になり、多段階の電力変換による効率低下を抑制することができる。また、発電機と電気負荷を直結すると、電気負荷の回転数が発電機の生成周波数と同期してしまう。発電機による起電力の周波数は車両速度に比例しており、この起電力を車両駆動に用いる場合には、出力周波数と起電力の周波数に相関があるため、一定の係数を乗ずることにより対応可能である。一方、制動時に運動エネルギーを回収するような回生システムにおいて、回生エネルギーは車両の移動速度が変化する中で得られる電力であり、このエネルギーを効率的に回収・変換・供給するためには、供給電力の周波数が大きく変化することを前提に設計される必要がある。さらに、車両速度と異なる制御に基づいて電気負荷を駆動する場合(例えば、車両空調システムのコンプレッサ駆動など)は、制御信号に基づく周期の電力を供給する必要があり、マトリクスコンバータ110を介在させ、入力電力の周波数が変化することを前提に、要求される出力周波数を安定して制御・出力することにより、この要求も満たすことができる。
One feature of the present invention is that, as an application example of a power conversion system for supplying power from an AC power source to an AC load, an
AC/DCコンバータ120の入力端子は発電機170に接続され、AC/DCコンバータ120の出力端子は電源130に接続されている。AC/DCコンバータ120は、発電機170から供給された交流電力から直流電力を電気的に生成する。AC/DCコンバータ120により生成された直流電力は、電源130に供給される。これにより、電源130が充電される。また、後述するように、AC/DCコンバータ120は、ECU140からの制御信号を受信するよう構成され、この制御信号に従って動作する。
The input terminal of the AC /
バッテリセンサ132は、電源130のバッテリ状態(例えば、充電電圧や充放電電流、温度など)を検出し、検出したバッテリ状態を示す通知信号をECU140に送信する。
The
ECU140は、各種の通知信号、例えば、発電機170の発電状態を示す通知信号や、電源130のバッテリ状態を示す通知信号、負荷出力を示す通知信号、電気負荷180の回転角θDを示す通知信号などに基づいて、マトリクスコンバータ110およびAC/DCコンバータ120を制御するための制御信号をそれぞれ生成し、生成した制御信号をマトリクスコンバータ110およびAC/DCコンバータ120にそれぞれ送信することにより、マトリクスコンバータ110およびAC/DCコンバータ120の動作をそれぞれ制御する。
ECU140 the various notification signals, for example, notification signal indicating or notification signal indicating the power generation state of the
なお、発電状態を示す通知信号は、発電の有無のみを示すものであってもよいし、起電力の大きさを示すものであってもよい。 Note that the notification signal indicating the power generation state may indicate only the presence or absence of power generation, or may indicate the magnitude of electromotive force.
また、通知信号に示される負荷出力は、電気負荷180の駆動を制御するための目標値、例えば、空調用電動コンプレッサの場合は、コンプレッサ駆動モータへの供給電力(例えば、VV−VF制御の場合、駆動電圧と周波数)の目標値である。ここで、VV−VF(Variable Voltage - Variable Frequency)制御とは、回転数と同時に駆動電圧を操作する制御のことである。
The load output indicated by the notification signal is a target value for controlling the driving of the
図2は、図1に示す電源システム100の要部の構成の一例を示すブロック図である。特に、図2は、図1に示すマトリクスコンバータ110の構成の一例を示している。
FIG. 2 is a block diagram illustrating an example of a configuration of a main part of the
図2に示すマトリクスコンバータ110は、いわゆるダイレクト型と呼ばれるタイプであり、入力三相と出力三相を、直接、高速スイッチングが可能な半導体素子を用いた双方向スイッチ群112(スイッチング部)により接続して構成されている。すなわち、ダイレクト型のマトリクスコンバータ110は、三相交流入力源と三相交流出力源を9個の双方向スイッチS1〜S9によりすべて接続するように構成されている。各スイッチS1〜S9は、高速にPWMによりオンオフされる。例えば、1つの相に注目すれば、三相交流UG、VG、WGの各相U、V、Wから、各スイッチS1、S2、S3を適時切り替えて、U相端子に所望の交流電力を出力する。これにより、三相交流から任意の三相交流への直接変換が実現される。
The
双方向スイッチ群112を構成する各スイッチS1〜S9のスイッチング動作は、制御部114によって制御される。具体的には、制御部114は、発電機170(例えば、三相モータ)の回転角θG、電気負荷180(例えば、三相モータ)の回転角θD、ならびに出力電圧および出力周波数の目標値に基づいて、各スイッチS1〜S9のスイッチング動作を制御する。
Switching operations of the switches S1 to S9 constituting the
マトリクスコンバータ110の入力側には、PWMスイッチングのリップル成分を除去するため、リップル成分除去部としてのLCフィルタ150が設けられている。
On the input side of the
以上の構成が、本発明の基本形である。 The above configuration is the basic form of the present invention.
図3は、図1に示す電源システム100にインバータを追加した構成を示すブロック図である。なお、図3において、図1と同じ構成要素には同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration in which an inverter is added to
図3に示す電源システム100aは、図1に示す構成要素に加えて、インバータ160をさらに有する。インバータ160もまた電源装置を構成する。
The
インバータ160の入力端子は電源130に接続され、インバータ160の出力端子は電気負荷180に接続されている。インバータ160は、DC/AC変換部として、電源130から供給された直流電力から交流電力を電気的に生成する。具体的には、例えば、インバータ160は、6個のスイッチング素子を用いた三相出力インバータであり、PWM方式による電圧・周波数・位相可変制御が行われる。これにより、インバータ160から三相交流U’D、V’D、W’Dが出力される。インバータ160により生成された交流電力は、電気負荷180に供給される。
An input terminal of the
また、インバータ160は、ECU140からの制御信号を受信するよう構成され、この制御信号に従って動作する。また、インバータ160には、電気負荷180の回転角θDを示す通知信号も入力される。
すなわち、この場合、ECU140は、各種の通知信号(例えば、発電機170の発電状態を示す通知信号や、電源130のバッテリ状態を示す通知信号、負荷出力を示す通知信号、電気負荷180の回転角θDを示す通知信号など)に基づいて、マトリクスコンバータ110、AC/DCコンバータ120、およびインバータ160を制御するための制御信号をそれぞれ生成し、生成した制御信号をマトリクスコンバータ110、AC/DCコンバータ120、およびインバータ160にそれぞれ送信することにより、マトリクスコンバータ110、AC/DCコンバータ120、およびインバータ160の動作をそれぞれ制御する。
That is, in this case, the
これにより、図3に示す電源システム100aでは、電気負荷180への交流電力の供給は、マトリクスコンバータ110を介して直接発電機170から、または、インバータ160を介して電源130から、行われる。
Thereby, in the
次に、図3に示す電源システム100aの動作について、図4を用いて説明する。図4は、図3に示す電源システム100aの一適用例を示すブロック図である。ここでは、電気負荷180がコンプレッサ駆動モータ184である場合を例にとって説明する。
Next, the operation of the
ECU140は、マトリクスコンバータ110、AC/DCコンバータ120、およびインバータ160を、例えば、下記のように動作させる制御信号を生成し、生成した制御信号をマトリクスコンバータ110、AC/DCコンバータ120、およびインバータ160にそれぞれ送信する。
The
マトリクスコンバータ110およびインバータ160は、コンプレッサ駆動モータ184を駆動する必要があるときに駆動される。マトリクスコンバータ110により所望の交流電力に変換される交流電力は、発電機170から出力される。また、インバータ160により所望の交流電力に変換される直流電力は、電源130から出力される直流電力である。
発電機170により発電された電力によってコンプレッサ駆動モータ184を駆動する場合には、マトリクスコンバータ110が駆動される。マトリクスコンバータ110は、発電機170から出力された交流電力を所望の交流電力に変換してコンプレッサ駆動モータ184に供給する。このとき、マトリクスコンバータ110は、コンプレッサ駆動モータ184に供給される交流電力が最適値となるよう、内部のスイッチング動作を制御する。
When the
具体的には、例えば、マトリクスコンバータ110は、回転角センサ172から発電機170の回転角情報θGを入力し、入力した回転角情報θGを用いて、発電機170から出力された交流電力の位相情報を特定する。そして、マトリクスコンバータ110は、特定した位相情報を用いて、目標とする電圧・周波数・位相の交流電力が出力されるよう、スイッチング部(例えば、図2の双方向スイッチ群112を構成する各スイッチS1〜S9)のスイッチング動作を制御する。
Specifically, for example, the
一方、電源130から放電された電力によってコンプレッサ駆動モータ184を駆動する場合には、インバータ160が駆動される。インバータ160は、電源130から出力された直流電力を所望の交流電力に変換してコンプレッサ駆動モータ184に供給する。このとき、インバータ160の出力とマトリクスコンバータ110の出力との電力合成を効率的に行うためには、両者の周波数・位相・電圧を一致させる必要があり、コンプレッサ駆動モータ184の回転角θDやマトリクスコンバータからのスイッチ制御情報などを用いて位相制御を行う。このとき、インバータ160は、コンプレッサ駆動モータ184に供給される交流電力が最適値となるよう、内部のスイッチング動作を制御する。例えば、インバータ160は、コンプレッサ駆動モータ184の電力線の位相に合わせて三相交流U’D、V’D、W’Dを生成する。
On the other hand, when the
なお、発電機170からコンプレッサ駆動モータ184への電力供給と電源130からコンプレッサ駆動モータ184への電力供給とは、別々にも同時にも行うことができる。特に、これらの電力供給の同時実行は、コンプレッサ駆動モータ184が停止状態から起動状態となり突入電流が大きくなった場合に負荷を分散させることができる点で、有利である。これらの電力供給を別々に行うか同時に行うか、また、同時に行う場合はどのように電力を配分するかについては、例えば、発電機170の発電状態や電源130の充電状態などに基づいて決定することができる。
The power supply from the
上記動作およびそれに伴う上記効果は、特に、マトリクスコンバータ110、AC/DCコンバータ120、およびインバータ160のデルタ(Δ)構造によって実現される。
The above-described operation and the above-described effects are realized particularly by the delta (Δ) structure of the
具体的には、発電機170と電気負荷180(コンプレッサ駆動モータ184)とを電気的に接続する基幹系の接続部には、マトリクスコンバータ110が設けられている。また、発電機170と電源130とを電気的に接続する充電系の接続部には、AC/DCコンバータ120が設けられている。また、電源130と電気負荷180(コンプレッサ駆動モータ184)とを電気的に接続する放電系の接続部には、インバータ160が設けられている。
Specifically, a
図5は、図4に示す電源システム100aの一変更例を示すブロック図であり、商用電源からの電力供給により電源130や車内の電気負荷180などを駆動可能とする場合を示している。なお、図5において、図4と同じ構成要素には同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。
FIG. 5 is a block diagram showing a modification of the
図5に示す電源システム100bは、図4に示す構成要素に加えて、一般の商用電源(例えば、100V電源)に接続される電源プラグ190と、PFC(Power Factor Correction)ヒューズスイッチ192とをさらに有する。
In addition to the components shown in FIG. 4, the
PFCヒューズスイッチ192は、AC/DCコンバータ120およびECU140にそれぞれ接続されている。PFCヒューズスイッチ192は、過電流を自動的に遮断するヒューズと、電力供給を検知するセンサと、電源線を遮断するスイッチとを備え、商用電源から電力供給があるとECU140に給電情報を送り、ECU140の充電スイッチ制御信号に応じて、電源線に接続されたスイッチの閉開操作を行う。PFCは、入力された電源の力率改善を行う。商用電源と車両搭載システムとを絶縁する場合、PFCヒューズスイッチ192とAC/DCコンバータ120のいずれかに絶縁トランスを挿入するが、PFCヒューズスイッチ192内に別途設けられたマトリクスコンバータにより絶縁トランスに供給する電力周波数を上げることによって、絶縁トランスの効率が向上する。なお、商用電源から供給される交流は、発電機170から供給される三相交流の任意の1相に入れて、AC/DC変換を行う。
この構成では、乗車前の空調も可能となる。車外から給電され、この電力により乗車前空調を実施することを前提とすると、コンプレッサ駆動モータ184への電力供給経路は、商用電源→AC/DCコンバータ120→電源130→インバータ160→コンプレッサ駆動モータ184と、商用電源→AC/DCコンバータ120→マトリクスコンバータ110→コンプレッサ駆動モータ184とになる。この場合、いずれかの経路一方のみを選択的に実施する方法、または、同時に行う方法が可能である。
With this configuration, air conditioning before boarding is also possible. Assuming that electric power is supplied from the outside of the vehicle and pre-boarding air conditioning is performed with this electric power, the power supply path to the
図6は、図3に示す電源システムに電力変換器を追加した構成を示すブロック図である。なお、図6において、図3と同じ構成要素には同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。 FIG. 6 is a block diagram showing a configuration in which a power converter is added to the power supply system shown in FIG. In FIG. 6, the same components as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
マトリクスコンバータ110は、上記のように、交流を別の特性(電圧、周波数、位相)の交流に変換するモジュールである。電気負荷180(例えば、コンプレッサ駆動モータ184)を動作させるときには、交流を所望の電圧・周波数・位相に変換する必要がある。しかし、マトリクスコンバータ110は、そのときの入力の電圧・周波数・位相が分かっていないと、正確に変換することができない。一方、発電機170は、図7に示すように、ロータの回転数によって、起電力の電圧・周波数が変化するという特徴を有する。図7(A)は、電動機170の回転数がxの場合であり、図7(B)は、電動機170の回転数がyの場合である(x≠y)。
The
このような電圧および周波数が変化する信号について、その電圧および周波数を測定することは困難である。そこで、ロータの回転角をセンサ172により読み取った値をマトリクスコンバータ110に入力することによって、より正確な回転角(位相・周波数)と、その残渣から電圧とを読み取ることが可能になる。こうして推定した値に基づいて、電気負荷180に供給される交流の電圧・周波数・位相が制御される。
It is difficult to measure the voltage and frequency of such a signal that varies in voltage and frequency. Therefore, by inputting the value obtained by reading the rotation angle of the rotor by the
すなわち、発電機170は、ロータの回転数によって、起電力の電圧・周波数が変化するため、発電機170を直接電気負荷180(例えば、コンプレッサ駆動モータ184)に接続すると、電気負荷180は所望の動作を得ることができない。そこで、発電機170から出力された交流を所望の電圧・周波数・位相に変換するマトリクスコンバータ110を介して、発電機170と電気負荷180を接続することによって、電気負荷180の出力を自由に設定することが可能になる。
That is, since the voltage and frequency of the electromotive force change depending on the number of rotations of the rotor, when the
しかし、マトリクスコンバータ110は、入力電圧をPWM制御により変換するため、電圧を下げる(降圧)機能しか持たない。
However, since the
そこで、図6に示す電源システム100cでは、マトリクスコンバータ110の入力側に、入力される交流電力の電圧を大きくする電圧変換(昇圧)部としての電力変換器155が設けられている。
Therefore, in the
図8は、電力変換器155の作用を説明するための図である。図8(A)は、電動機170の回転数がxの場合であり、図8(B)は、電動機170の回転数がyの場合であり(x≠y)、図7(A)および図7(B)にそれぞれ対応している。図8に示すように、電力変換器155によって、発電機170の出力は、電圧のみが大きくなっている(昇圧)。
FIG. 8 is a diagram for explaining the operation of the
なお、ここで、マトリクスコンバータ110の他の構成例について説明しておく。
Here, another configuration example of the
図9は、図1に示すマトリクスコンバータ110の構成の他の例を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing another example of the configuration of the
図9に示すマトリクスコンバータ110は、いわゆるインダイレクト型と呼ばれるタイプのものである。インダイレクト型マトリクスコンバータは、実質的に、AC/DC/AC変換(真中のDCは「仮想DC」と呼ばれる)を行っており、PWM整流器+PWMインバータの構成を有する。このインダイレクト型マトリクスコンバータでは、図2に示すダイレクト型マトリクスコンバータのスイッチS1〜S9の動作が、インダイレクト型マトリクスコンバータのAC/DC変換に相当するスイッチSG1、SG’1と、DC/AC変換に相当するSD1、SD’1とから求められる。記号「’」が付く符号は、DCの電位が低い側のスイッチを意味する。図2に示すダイレクト型マトリクスコンバータと図9に示すインダイレクト型マトリクスコンバータとの関係は、図10に示す式によって与えられる。
The
インダイレクト型マトリクスコンバータの特徴は、入力交流電力をPWM整流して仮想DCを生成することにある。このため、この仮想DCに対して電源130から直流電力を直接供給することができる。この場合は、インバータを挿入する必要がなくなる。また、仮想DCにて電力変換(昇圧または降圧)を行うことにより、3線に対する電力変換(昇圧または高圧)を行うよりも簡易に電力変換(昇圧または降圧)を実現することができる。また、3線に対する電力変換では、線間でバラツキが発生しうるが、仮想DCでは、電力変換におけるバラツキが本質的に発生しない。さらに、仮想DCにおける電源130からの給電は、インバータ160の動作説明で触れたように三相交流が有する電圧・周波数・位相の要素について同期が必要である旨説明したが、周波数・位相における同期は不要であるといった特徴も有する。一方、ダイレクト型マトリクスコンバータでは、三相交流から三相交流へ直接変換するためのスイッチを9箇所に留めることができ、また、直接変換による効率向上が見込まれる。
A feature of the indirect matrix converter is that a virtual DC is generated by PWM rectification of input AC power. For this reason, direct-current power can be directly supplied from the
図11は、インダイレクト型マトリクスコンバータのスイッチング動作を説明するための図である。 FIG. 11 is a diagram for explaining the switching operation of the indirect matrix converter.
図11において、スイッチング動作は、いずれもインダイレクト型マトリクスコンバータの1相について着目したものである。AC/DC変換は、3相ある電力線の中で最も電位が高い電力線と最も電位が低い電力線を選択して仮想DC線の高電位側と低電位側にそれぞれ接続するものである。2つの電力線の電位が交差する時間において、一方の電力線を選択することも可能であるし、両電力線から電力供給を受けるように接続すると効率を高めることが可能である。この場合は、スイッチのオンオフにより徐々に選択する電力線を移行させることになる。これが、図11(A)において、SG1、SG’1のスイッチング動作に濃淡が見え、かつ、電力が0V付近になる(他の電力線が高電位・低電位に接続されている)一定期間はスイッチがオフの状態が存在する理由である。同様に、DC/AC変換(図11(B))では、仮想DCの高電位と低電位とをPWM変調することにより波形を作り出しており、出力電位が0V(三相交流における仮想グランド電位に相当)を交差する前後は、SD1、SD’1のスイッチング動作の切り替えが濃く(切り替えが激しく)、電位が高く(低く)なるにつれ淡く(切り替えが少なく)なる。 In FIG. 11, the switching operations are all focused on one phase of the indirect matrix converter. In the AC / DC conversion, the power line having the highest potential and the power line having the lowest potential are selected from the power lines having three phases and connected to the high potential side and the low potential side of the virtual DC line, respectively. During the time when the potentials of the two power lines intersect, it is possible to select one of the power lines, and it is possible to increase the efficiency by connecting the power lines so as to receive power from both power lines. In this case, the power line to be gradually selected is shifted by turning on / off the switch. In FIG. 11 (A), the switching operation of SG1 and SG′1 shows shading, and the power is in the vicinity of 0V (the other power lines are connected to the high potential / low potential) for a certain period of time. This is why there is an off state. Similarly, in DC / AC conversion (FIG. 11B), a waveform is created by PWM modulation of the high potential and low potential of the virtual DC, and the output potential is 0 V (to the virtual ground potential in three-phase AC). Before and after crossing (corresponding), switching of the switching operation of SD1 and SD′1 is deep (the switching is intense), and becomes light (the switching is less) as the potential becomes higher (lower).
図9に示す構成と図10に示す式とを対比させて、さらに詳細に説明する。 The configuration shown in FIG. 9 is compared with the formula shown in FIG.
SGxとSG’xのスイッチ群は、入力側の周波数(「fin」と表記する)を直流に周波数シフトさせる機能を有し、SDxとSD’xのスイッチ群は、仮想DCの電力を出力側の周波数(「fout」と表記する)に周波数シフトさせる機能を有していることになる。 The SGx and SG′x switch groups have a function to shift the frequency on the input side (denoted as “f in ”) to DC, and the SDx and SD′x switch groups output the power of the virtual DC. It has a function of shifting the frequency to the side frequency (denoted as “f out ”).
まず、SGx/SG’xで構成されたスイッチ群の制御に注目すると、簡単に制御するためには、単に各相における電位を測定して電位の高低によりスイッチを切り替えるだけでも可能であり、この機能に限定した構成として、ダイオード整流器が知られている。この方式は、入力電力(発電機170による起電力)の周波数に関わらず簡単に制御できるといった特徴がある一方で、複数の電力線による電力合成を行わないために効率が限定されてしまう。他方、入力電力の周波数・位相に応じて、電力線の接続をPWM合成することにより最大効率での電力供給を可能とする。しかし、この方式では、入力電力の周波数と位相を特定(測定または推定)してそれに応じたスイッチ制御が行われる必要がある。しかし、前述のとおり発電機170の起電力特性のように回転数と電圧とが変化する信号において、周波数・位相を特定することは容易でない。そのため、発電機170に設置されたロータ回転角を、上記の周波数・位相を特定する補助情報とすることにより、簡単で正確にスイッチ群制御を行うことができ、高高率なPWM合成を実現することができる。
First, paying attention to the control of the switch group composed of SGx / SG′x, for simple control, it is possible to simply measure the potential in each phase and switch the switch depending on the level of the potential. A diode rectifier is known as a configuration limited to functions. While this method has a feature that it can be easily controlled regardless of the frequency of the input power (electromotive force generated by the generator 170), the efficiency is limited because power combining by a plurality of power lines is not performed. On the other hand, according to the frequency and phase of input power, the power supply can be supplied with maximum efficiency by PWM combining power line connections. However, in this method, it is necessary to specify (measure or estimate) the frequency and phase of the input power and to perform switch control in accordance with it. However, as described above, it is not easy to specify the frequency and phase in a signal in which the rotation speed and voltage change like the electromotive force characteristics of the
一方、SDx/SD’xで構成されたスイッチ群の制御について注目する。このスイッチ群により制御される情報は、出力電力の周波数・位相・電圧である。これらは、ECU140に与えられた負荷出力により導かれ、マトリクスコンバータ110の制御部114に入力された制御信号であるため、上記したSGx/SG’xの制御のように外部信号から測定・推定する情報は不要である。出力電力を効率的に送出するためには、電気負荷180の状態(例えば、駆動モータの回転数やロータ回転角)に合わせて位相・周波数制御することが重要であり、電気負荷180側から入力した回転角信号に応じて、SDx/SD’x切替を調整することにより、高効率な制御が可能になる。
On the other hand, attention is paid to the control of the switch group constituted by SDx / SD′x. The information controlled by this switch group is the frequency, phase, and voltage of the output power. Since these are control signals that are guided by the load output given to the
以上、SGx/SG’x、SDx/SD’xの制御について説明したが、ダイレクト型マトリクスコンバータのスイッチ群(S1〜S9)は、これら制御信号の行列積により求められる(図10で与えられる式)。上記説明でも分かるとおり、S1〜S9には入力周波数(fin)成分と出力周波数(fout)成分との積で与えられることとなり、入力電力の周波数に関わらず、高効率に所望する周波数の出力電力を得るためには、入力周波数を得るためのセンサ情報を用いるか、入力電力から回転周波数を推定し、これらの情報を用いて、入力電力の周波数成分(fin)を除去し、負荷側の状況変化に対応しながら出力電力の周波数成分(fout)になるよう制御することが重要となる。 Although the control of SGx / SG′x and SDx / SD′x has been described above, the switch group (S1 to S9) of the direct matrix converter is obtained by the matrix product of these control signals (the formula given in FIG. 10). ). As can be seen from the above description, S1 to S9 are given by the product of the input frequency (f in ) component and the output frequency (f out ) component, and the desired frequency of high efficiency can be obtained regardless of the frequency of the input power. In order to obtain the output power, sensor information for obtaining the input frequency is used, or the rotation frequency is estimated from the input power, and the frequency component (f in ) of the input power is removed using these pieces of information, and the load It is important to perform control so that the frequency component (f out ) of the output power corresponds to the situation change on the side.
このように、本実施の形態によれば、発電機170と電気負荷180とをマトリクスコンバータ110を介して直接接続するため、従来の構成に比べて変換の段数を削減することができ、多段階の電力変換による変換損失を低減して効率低下を抑制することができる。すなわち、従来の構成に比べて、発電機から電気負荷への電力供給を効率的に行うことができる。
As described above, according to the present embodiment, since the
また、DC/DCコンバータを用いないため、平滑コンデンサが不要となり、小型化・長寿命化を図ることができる。 Further, since a DC / DC converter is not used, a smoothing capacitor is unnecessary, and a reduction in size and extension of life can be achieved.
(実施の形態2)
実施の形態2は、図6に示す電力変換器の位置を変更した場合である。
(Embodiment 2)
図12は、本発明の実施の形態2に係る車両用電源装置を含む電源システムの構成を示すブロック図である。なお、この電源システム100dは、図6に示す電源システム100cと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
FIG. 12 is a block diagram showing a configuration of a power supply system including a vehicle power supply device according to
本実施の形態では、図6に示す実施の形態1では電力変換器155がマトリクスコンバータ110の入力側に設けられているのに対し、電力変換器155aがマトリクスコンバータ110の出力側に設けられている。電力変換器155aは、電圧変換(昇圧)部として、マトリクスコンバータ110から出力された交流電力の電圧を大きくする。
In the present embodiment,
上記のように、マトリクスコンバータ110は、PWM変換を行うため、降圧による制御は可能であるが、昇圧する機能はない。発電機170からの起電力電圧が低く、電気負荷180(例えば、コンプレッサ駆動モータ184)に要求される電圧が高い場合には、電力変換によって昇圧する必要がある。特に、効率的なモータ制御のためには、VV−VF(Variable Voltage - Variable Frequency)制御、つまり、回転数と同時に駆動電圧を操作する制御が重要である。したがって、これを実現するためには、電力変換が重要な存在である。
As described above, since
このように、本実施の形態によれば、電力変換器155aを設けてマトリクスコンバータ110の出力電圧を制御するため、VV−VF制御を用いて電気負荷180の効率的な制御を行うことができる。
Thus, according to the present embodiment, since
(実施の形態3)
実施の形態3は、インバータを用いて昇圧を行う場合である。
(Embodiment 3)
The third embodiment is a case where boosting is performed using an inverter.
図13は、本発明の実施の形態3に係る車両用電源装置を含む電源システムの要部の構成の一例を示すブロック図である。なお、この電源システム100eは、図3に示す電源システム100aと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
FIG. 13: is a block diagram which shows an example of a structure of the principal part of the power supply system containing the vehicle power supply device which concerns on
本実施の形態では、電源130とインバータ160との間にDC/DCコンバータ165が接続されている。また、インバータ160およびDC/DCコンバータ165には、マトリクスコンバータ110内のスイッチングパラメータがそれぞれ与えられるように構成されている。
In the present embodiment, a DC /
本構成によると、マトリクスコンバータ110の制御部114と、インバータ160の制御部とをひとつにすることができ、簡易で高精度なインバータ160の制御と、高効率な電源130電力と三相交流電力の合成とを可能にする。
According to this configuration, the
以下、図13を用いて詳細に説明を行う。 Hereinafter, a detailed description will be given with reference to FIG.
実施の形態1でも説明したが、S1〜S9は、SGx、SG’xと、SDx、SD’xとで構成される行列積によって求められる(図10に示す式)。ここで、SDx/SD’xは、仮想DCを出力電力に変換するPWM合成のスイッチ制御群であり、その構成は、図13に示すインバータ160と同一である。このことは、SDx/SD’xをSix/Si’xに置き換えると、そもそもマトリクスコンバータ110が出力制御しようとしている周波数・位相とが合致することを示唆する。すなわち、図3に示すようにマトリクスコンバータ110とインバータ160とを別々に制御する場合、ECU140から与えられた制御情報や、電気負荷180によりフィードバックされる情報などを元に、マトリクスコンバータ110とインバータ160とが連携するように電力変換する必要があったが、本構成を組むことにより、容易に高性能・高効率なシステムを構築することが可能となる。
As described in the first embodiment, S1 to S9 are obtained by a matrix product composed of SGx, SG'x and SDx, SD'x (formula shown in FIG. 10). Here, SDx / SD′x is a PWM synthesis switch control group for converting virtual DC into output power, and the configuration thereof is the same as that of the
上記説明では、マトリクスコンバータ110とインバータ160の周波数・位相を同期させる制御方法について説明したが、以下、電圧を制御する方法について説明する。
In the above description, the control method for synchronizing the frequency and phase of the
上記で説明したとおり、発電機170が生成する起電力の電圧は変化することが知られており、図10に示す式のうち、SGx/SG’xは、入力電力の周波数成分除去の機能と、図9に示す仮想DC電力の電圧を制御する機能とを含んでいる。そのため、マトリクスコンバータ110は、入力電力線の信号振幅や回転角センサの情報から、入力電力の電圧を算出し、この値に基づいて仮想DC電力の電圧を制御する(仮想DC成分の電圧が所望の電圧よりも低い場合、図6および図12に示すように、電力変換により昇圧する必要がある)。
As described above, it is known that the voltage of the electromotive force generated by the
一般に、電源(例えば、二次電池)130の電圧は、電気負荷180(例えば、コンプレッサ駆動モータ184)に対して低いため、電源130に対して昇圧が必要である。この昇圧幅は、マトリクスコンバータ110がSGx/SG’xによって制御する仮想DC電力の電圧と同じになるよう、Sc1/Sc’1のスイッチング制御を行う。同時に、直流を交流に変換するため、周波数・位相・電圧を制御するが、周波数・位相は上記したとおり、また、電圧については、Sc1/Sc’1によるDC/DCコンバータ165制御と、Six/Si’xによるインバータ160制御(PWM制御)とによって制御され、両者は、マトリクスコンバータ110の制御に用いるパラメータと同一であるため高精度に整合されることになる。
In general, the voltage of the power source (for example, the secondary battery) 130 is low with respect to the electric load 180 (for example, the compressor drive motor 184). The switching control of Sc1 / Sc'1 is performed so that this boost width becomes the same as the voltage of the virtual DC power controlled by the
このように、インバータ160に内蔵されたトランジスタのスイッチングを、図10の式に示した、行列のSDx(x=1,2,3)(入力電力をAC/DC変換するスイッチングパラメータ)と、SGx(x=1,2,3)(直流電力をDC/AC変換するスイッチングパラメータ)とで制御することにより、SGxのスイッチングパラメータには、交流の周波数・位相・電圧を制御するための情報が入っているため、簡易にインバータ160の出力の周波数・位相・電圧を制御することが可能になる。
As described above, switching of the transistors incorporated in the
このように、本実施の形態によれば、インバータ160を用いて電気負荷180への供給電力を昇圧できるため、簡易な構成により、VV−VF制御を用いて電気負荷180の効率的な制御を行うことができる。
As described above, according to the present embodiment, the power supplied to the
本発明に係る車両用電源装置は、小型化・長寿命化を図りつつ、発電機から電気負荷への電力供給を効率的に行うことができる車両用電源装置として有用である。 The vehicle power supply device according to the present invention is useful as a vehicle power supply device that can efficiently supply power from a generator to an electric load while reducing the size and extending the life.
100、100a、100b、100c、100d、100e 電源システム
110 マトリクスコンバータ
120 AC/DCコンバータ
130 電源
132 バッテリセンサ
140 エンジンコントロールユニット(ECU)
150 LCフィルタ
155、155a 電力変換器
160 インバータ
165 DC/DCコンバータ
170 発電機
172、182 回転角センサ
180 電気負荷
184 コンプレッサ駆動モータ
190 電源プラグ
192 PFCヒューズスイッチ
100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e
150
Claims (9)
前記接続部は、
入力された交流電力を別の特性の交流電力に変換するAC/AC変換部を有する、
車両用電源装置。 Having a connection part for electrically connecting a generator for generating AC power and an electric load driven by AC power;
The connecting portion is
An AC / AC converter that converts the input AC power into AC power having another characteristic;
Vehicle power supply device.
請求項1記載の車両用電源装置。 On the input side of the AC / AC converter, a ripple component removing unit that removes a ripple component included in the input AC power is provided.
The power supply device for vehicles according to claim 1.
をさらに有する請求項1記載の車両用電源装置。 A DC / AC converter connected to the output side of the AC / AC converter for converting DC power into AC power;
The vehicle power supply device according to claim 1, further comprising:
請求項1記載の車両用電源装置。 On the input side of the AC / AC converter, a voltage converter that increases the voltage of the input AC power is provided.
The power supply device for vehicles according to claim 1.
請求項1記載の車両用電源装置。 On the output side of the AC / AC converter, a voltage converter that increases the voltage of the output AC power is provided.
The power supply device for vehicles according to claim 1.
スイッチング動作により交流電力の変換を行うスイッチング部と、
前記発電機の回転角情報を入力する入力部と、
入力された回転角情報を用いて、前記発電機から出力された交流電力の位相情報を特定する特定部と、
特定された位相情報を用いて、目標とする電圧、周波数、および位相の交流電力が出力されるよう、前記スイッチング部のスイッチング動作を制御する制御部と、
を有する請求項1記載の車両用電源装置。 The AC / AC converter is
A switching unit that converts AC power by switching operation;
An input unit for inputting rotation angle information of the generator;
Using the input rotation angle information, a specifying unit that specifies phase information of AC power output from the generator;
Using the identified phase information, a control unit that controls the switching operation of the switching unit so that the target voltage, frequency, and phase AC power is output
The power supply device for vehicles according to claim 1 which has.
請求項1から請求項6のいずれかに記載の車両用電源装置。 The AC / AC converter is a matrix converter.
The vehicle power supply device according to any one of claims 1 to 6.
請求項1から請求項6のいずれかに記載の車両用電源装置。 The electric load is a drive motor of a compressor for air conditioning in a vehicle interior.
The vehicle power supply device according to any one of claims 1 to 6.
An electric vehicle comprising the vehicle power supply device according to any one of claims 1 to 8.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2009047232A JP2010206880A (en) | 2009-02-27 | 2009-02-27 | Vehicle power supply |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2009047232A JP2010206880A (en) | 2009-02-27 | 2009-02-27 | Vehicle power supply |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2010206880A true JP2010206880A (en) | 2010-09-16 |
Family
ID=42967805
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2009047232A Pending JP2010206880A (en) | 2009-02-27 | 2009-02-27 | Vehicle power supply |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2010206880A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3160035A3 (en) * | 2015-10-16 | 2017-05-10 | Kohler Co. | Hybrid device with segmented waveform converter |
| US10063097B2 (en) | 2015-10-16 | 2018-08-28 | Kohler Co. | Segmented waveform converter on controlled field variable speed generator |
| US10148207B2 (en) | 2015-10-16 | 2018-12-04 | Kohler Co. | Segmented waveform converter on controlled field variable speed generator |
| US10778123B2 (en) | 2015-10-16 | 2020-09-15 | Kohler Co. | Synchronous inverter |
-
2009
- 2009-02-27 JP JP2009047232A patent/JP2010206880A/en active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3160035A3 (en) * | 2015-10-16 | 2017-05-10 | Kohler Co. | Hybrid device with segmented waveform converter |
| US10063097B2 (en) | 2015-10-16 | 2018-08-28 | Kohler Co. | Segmented waveform converter on controlled field variable speed generator |
| US10148202B2 (en) | 2015-10-16 | 2018-12-04 | Kohler Co. | Hybrid device with segmented waveform converter |
| US10148207B2 (en) | 2015-10-16 | 2018-12-04 | Kohler Co. | Segmented waveform converter on controlled field variable speed generator |
| US10778123B2 (en) | 2015-10-16 | 2020-09-15 | Kohler Co. | Synchronous inverter |
| US10903764B2 (en) | 2015-10-16 | 2021-01-26 | Kohler, Co. | Synchronous inverter |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6696408B2 (en) | Drive system | |
| CN102271958B (en) | Method for controlling power supply device having power inverter | |
| JP5844787B2 (en) | Auxiliary drive device and manufacturing method thereof | |
| EP1976721B1 (en) | Vehicle propulsion system | |
| JP5460727B2 (en) | Vehicle power supply system | |
| JP5348326B2 (en) | Electric vehicle and charging control method thereof | |
| JP5686131B2 (en) | Power converter | |
| JP2011130660A (en) | Rapid charging apparatus and method using shared electric and electronic equipment | |
| JP2011239493A (en) | Output controller for hybrid engine generator | |
| JP2020010517A (en) | Charge control device and charge control system | |
| WO2012168983A1 (en) | Charging device | |
| JP2012244748A (en) | Power conversion controller | |
| JP2013150524A (en) | Electric vehicle | |
| JP2010098851A (en) | Electric vehicle | |
| KR102334658B1 (en) | Apparatus for charging battery of vehicle | |
| JP2010206864A (en) | Power supply device | |
| JP2010206880A (en) | Vehicle power supply | |
| KR102376932B1 (en) | Integrated Power Conversion System for Electric Vehicle | |
| KR102008752B1 (en) | Vehicle power control device | |
| KR102008751B1 (en) | Vehicle power control device | |
| JP5808707B2 (en) | Electric car | |
| KR102063921B1 (en) | Vehicle power control device | |
| KR102008750B1 (en) | Vehicle power control device | |
| JP5409579B2 (en) | Vehicle power supply system | |
| JP4329454B2 (en) | Electric vehicle system |