JP2010220455A - 車両用充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストの増加を抑えつつ、損失を低減させた車両用充電装置を提供する。
【解決手段】車両用充電装置であって、モータ３と、モータ３を駆動するためのインバータ１と、モータ３よりも駆動能力が大きいモータ４と、モータ４を駆動するためのインバータ２と、動作モードが外部充電モードである場合にはインバータ１とモータ４とを接続し、動作モードが外部充電モードで無い場合にはインバータ１とモータ４とを切り離す接続部とを備える。インバータ１は、動作モードが外部充電モードで無い場合にモータ３を駆動するために用いられ、動作モードが外部充電モードである場合に電圧変換のためにスイッチング制御されるスイッチング素子を含む。モータ４は、動作モードが外部充電モードで無い場合にステータコイルとして使用され、動作モードが外部充電モードである場合には接続部によってスイッチング素子と接続され平滑リアクトルとして使用されるコイルを含む。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両用充電装置に関し、特に外部から充電が可能に構成された蓄電装置を搭載する車両の充電装置に関する。

近年、環境に配慮した車両として、電気自動車やハイブリッド自動車のような蓄電装置とその蓄電装置によって駆動される車両推進用モータとを搭載する自動車の開発が盛んとなっている。特開平１１−２０５９０９号公報（特許文献１）は、このような自動車に使用される電気自動車用充電装置を開示する。

図１１は、特開平１１−２０５９０９号公報に開示された電気自動車用充電装置の等価回路図である。

図１１を参照して、この電気自動車用充電装置は、インバータ１０１と、モータ１０２と、ＰＷＭ制御装置１０３と、二次電池１０５と、ダイオードモジュール１０６と、第１のリレー１０７と、第２のリレー１０８とを含む。

この充電装置は、駆動用モータと、インバータとを用いた充電装置であり、モータ１０２のステータコイルの中性点から線を引出し、モータのステータコイルを平滑リアクトルとして用いて、外部電源１０４から二次電池１０５を充電可能としたものである。

特開平１１−２０５９０９号公報 特開２００４−２２９３９５号公報 特開平６−１２１４０８号公報

特開平１１−２０５９０９号公報に開示された充電装置では、車両推進用モータを駆動するための大電力用（数百ｋＷ）のインバータ１０１を家庭用の商用電源１０４などからの低電力（数ｋＷ）の充電に用いているため、外部から充電する際の損失が大きいという問題点があった。

図１２は、図１１に示す充電装置で外部から与えられる電源電圧とインバータのＰＷＭ制御波形を示した波形図である。

図１３は、インバータの各相の上アームおよび下アームに流れる電流を説明するための図である。

図１４は、図１３に示した電流を説明するための波形図である。
インバータとモータのステータコイルとを利用して充電する充電装置においては、インバータには導通損およびスイッチング損が発生し、モータには銅損および鉄損が発生する。図１１に示すような車両駆動用モータ１０２およびインバータ１０１を充電装置に使用する場合には、インバータに含まれるＩＧＢＴおよびＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子はその定格が大電力（数百ｋＷ）であるため、図１３、図１４に示すように、還流ダイオードのリカバリ電流（逆回復電流）が充電電流に比べて大きくなる。このため、充電時のスイッチング損が大きくなり、充電効率が低くなるという問題がある。

車両は、エアコン用などの定格が低電力（数ｋＷ）のインバータやモータを搭載している場合もある。しかし、これらを充電装置に使用した場合には、スイッチング損が低減されインバータ損失は低減するが、反対にモータ損失が大きくなる。これは、低電力定格のモータはそのコイルが細い巻線で構成されるため、巻線抵抗が大きい傾向があり銅損が大きくなるためである。

したがって、従来の構成では、インバータ損失とモータ損失とを同時に低減させる充電装置を実現することは困難であった。

一方、新たに外部充電専用のスイッチング素子やリアクトルを搭載するのは搭載スペースが必要となるとともにコスト増にも繋がる。

この発明の目的は、コストの増加を抑えつつ、損失を低減させた車両用充電装置を提供することである。

この発明は、要約すると、車両用充電装置であって、第１の回転電機と、第１の回転電機を駆動するための第１のインバータと、第１の回転電機よりも駆動能力が大きい第２の回転電機と、第２の回転電機を駆動するための第２のインバータと、動作モードが外部充電モードである場合には第１のインバータと第２の回転電機とを接続し、動作モードが外部充電モードで無い場合には第１のインバータと第２の回転電機とを切り離す第１の接続部とを備える。第１のインバータは、動作モードが外部充電モードで無い場合に第１の回転電機を駆動するために用いられ、動作モードが外部充電モードである場合に電圧変換のためにスイッチング制御されるスイッチング素子を含む。第２の回転電機は、動作モードが外部充電モードで無い場合にステータコイルとして使用され、動作モードが外部充電モードである場合には第１の接続部によってスイッチング素子と接続され平滑リアクトルとして使用されるコイルを含む。

好ましくは、車両用充電装置は、車両の外部の交流電源を全波整流するためのダイオードブリッジと、動作モードが外部充電モードである場合にはダイオードブリッジで整流された直流電圧をコイルおよび第１のインバータで構成される電圧変換回路に与え、動作モードが外部充電モードで無い場合にはダイオードブリッジと電圧変換回路とを切り離す第２の接続部をさらに備える。

好ましくは、第１のインバータの正極電源ラインおよび負極電源ライン間に設けられ２つのダイオードが直列接続されるダイオードモジュールと、動作モードが外部充電モードである場合には２つのダイオードの接続点を外部電源に接続し、動作モードが外部充電モードで無い場合には接続点と外部電源とを切り離す第２の接続部をさらに備える。

好ましくは、第１の接続部は、動作モードが外部充電モードである場合には、車両外部の交流電源を介在させて第１のインバータと第２の回転電機とを接続する。第１の接続部は、交流電源の一方電極を第１のインバータに接続する第１のリレーと、交流電源の他方電極を第２の回転電機のコイルに接続する第２のリレーとを含む。

好ましくは、第１のインバータは、複数相のアームを含む。車両用充電装置は、第１のインバータの複数相のアームのスイッチング制御を行う制御部をさらに備える。制御部は、動作モードが外部充電モードである場合には複数相のアームのうちの第１のアームをスイッチング制御し、第１の接続部は、動作モードが外部充電モードである場合には第１のアームと第２の回転電機のステータコイルの中性点とを接続する。

本発明によれば、コストの増加を抑えつつ、インバータ損失とモータ損失とを同時に低減した車両用充電装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１の車両用充電装置の構成を示した回路図である。 図１の充電装置の各インバータの制御波形を示した図である。 図１の充電装置において外部から充電が行なわれる場合の電流の経路を示した図である。 図３のインバータ１に流れる電流を示した図である。 図４に示した電流の波形を図１４に示した従来の波形と対比して示した図である。 実施の形態２の車両用充電装置の構成を示した回路図である。 図６に示す充電装置の充電時の動作波形図である。 実施の形態３の車両の充電装置の構成を示した回路図である。 図８に示した車両用充電装置の制御を説明するための波形図である。 実施の形態３における充電時の電流経路を示した図である。 特開平１１−２０５９０９号公報に開示された電気自動車用充電装置の等価回路図である。 図１１に示す充電装置で外部から与えられる電源電圧とインバータのＰＷＭ制御波形を示した波形図である。 インバータの各相の上アームおよび下アームに流れる電流を説明するための図である。 図１３に示した電流を説明するための波形図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１の車両用充電装置の構成を示した回路図である。

図１を参照して、実施の形態１の充電装置を搭載する車両は、インバータ１，２と、モータ３，４と、ＰＷＭ制御装置５，６と、二次電池８と、ダイオードブリッジ９と、リレー１０〜１２と、電力線１３〜１５とを含む。

インバータ１およびモータ３は小電力用のものであり、たとえば二次電池８から電源電圧が供給されるエアコンに内蔵されている電動コンプレッサである。これに対し、インバータ２およびモータ４は大電力用のものであり、たとえば、車両を推進させるために車輪を駆動するためのものである。

車両が走行している場合には、リレー１０，１１，１２は開放状態に制御される。この状態ではモータ３を駆動するためにインバータ１が用いられモータ４を駆動させるためにインバータ２が用いられる。

自宅などに帰って二次電池８に充電を行なう場合には外部電源７が車両の充電装置に接続される。このときリレー１０，１１，１２はともに導通状態に制御される。そして電源７からたとえば交流１００Ｖの電圧が印加されると、ダイオードブリッジ９によってこれが直流に変換される。そして、ダイオードブリッジ９からの電圧がモータ４のＷ相のリアクトルとインバータ１のＵ相アームとで構成された電圧コンバータにより二次電池８に対する充電電圧に変換される。

図１に示される車両用充電装置は、モータ３と、モータ３を駆動するためのインバータ１と、モータ３よりも駆動能力が大きいモータ４と、モータ４を駆動するためのインバータ２と、動作モードが外部充電モードである場合にはインバータ１とモータ４とを接続し、動作モードが外部充電モードで無い場合にはインバータ１とモータ４とを切り離す接続部とを備える。インバータ１は、動作モードが外部充電モードで無い場合にモータ３を駆動するために用いられ、動作モードが外部充電モードである場合に電圧変換のためにスイッチング制御されるスイッチング素子を含む。モータ４は、動作モードが外部充電モードで無い場合にステータコイルとして使用され、動作モードが外部充電モードである場合には接続部によってスイッチング素子と接続され平滑リアクトルとして使用されるコイルを含む。

図２は、図１の充電装置の各インバータの制御波形を示した図である。
図３は図１の充電装置において外部から充電が行なわれる場合の電流の経路を示した図である。

図２、図３を参照して、大電力用であるモータ４のＷ相入力端子と、ダイオードブリッジ９の＋側端子とをリレー１１によって結線し、モータ４の中性点と小電力用であるモータ３のＵ相入力端子とをリレー１１によって結線する。また二次電池の負極端子とダイオードブリッジ９の−側端子とをリレー１２によって結線する。

モータ４の中性点をモータ３に結線した相（図１，図３ではＵ相）のみＰＷＭ変調を行ない、インバータ１の他の相（Ｖ相，Ｗ相）およびインバータ２の３相の上下アームすべてを制御停止（オフ状態）とする。これにより、図３に示すように、充電電流経路は、電源７→ダイオードブリッジ９→モータ４のＷ相コイル→モータ４の中性点→インバータ１のＵ相アーム→二次電池８となる。

モータ４の中性点からインバータ１のＵ相入力端子に接続された電力線１３により、低インピーダンスな電流経路が形成されるため、モータ４のＵ相、Ｖ相コイルには、電流が流れず、インバータ２のＵ相、Ｖ相の還流ダイオードは通電しない。

また、モータ４のＷ相コイルの入力端は、ダイオードブリッジ９の働きによって、電源７の１００Ｖの電位で安定するため、インバータ２のＷ相の還流ダイオードは通電しない。

図４は、図３のインバータ１に流れる電流を示した図である。
図５は、図４に示した電流の波形を図１４に示した従来の波形と対比して示した図である。

インバータ１はたとえばエアコンの電動コンプレッサ用であり、車両推進用のモータを駆動するインバータ２よりも小電力に適するため、図５に示すように、スイッチング時の還流ダイオードのリカバリ電流が図１４に比べて低減し、かつスイッチング時間が低減することによりスイッチング損失も低減する。

また、巻線抵抗の小さい大電力用のモータ４のコイルを平滑リアクトルとして利用しているため、モータ損失も小さくなる。このようにリレー１０，１１，１２を設けて充電時の接続を変更することによりインバータ損失とモータ損失とを同時に低減した充電を行なうことが可能となる。

［実施の形態２］
図６は、実施の形態２の車両用充電装置の構成を示した回路図である。

図６に示す充電装置は、図１に示した充電装置の構成において、ダイオードブリッジ９に代えてダイオードモジュール９Ａを含む。そしてリレー１１は電源７の一方電極とモータ４のＷ相コイルとを接続する。リレー１２は電源７の他方電極とダイオードモジュール９Ａの中点を接続する。

実施の形態１では、ダイオードブリッジ（全波整流）を用いたが、実施の形態２ではインバータ１と並列に接続されるダイオードモジュール９Ａを用いる。

図７は、図６に示す充電装置の充電時の動作波形図である。
図７に示すように、モータ４の中性点をリレー１０で接続したインバータ１のＵ相のみＰＷＭ変調を行ない、インバータ１の他相（Ｖ相，Ｗ相）およびインバータ２の３相の上下アームすべてはオフ状態に制御する。

すなわち、外部電源７の電圧が正である時は図６に示すようにダイオードブリッジ９Ａの下アームのダイオードには電流が流れ、外部電源７の電圧が負である時はダイオードブリッジ９Ａの上アームのダイオードに電流が流れる。

このように制御することにより、実施の形態２の充電装置は、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

［実施の形態３］
図８は、実施の形態３の車両の充電装置の構成を示した回路図である。

図８を参照して、実施の形態３の車両の充電装置は、図１に示した車両の充電装置の構成において、ダイオードブリッジ９およびリレー１０〜１２に代えてリレー１１Ｂ，１２Ｂを含む。リレー１１Ｂは、インバータ１のＵ相アームの中点を外部電源７の一方電極に接続する。リレー１２Ｂはモータ４のステータコイルの中性点を外部電源７の他方電極に接続する。つまり図８に示す構成では、ダイオードブリッジやダイオードモジュールを使用しないがこのような充電システムにおいても実施の形態１，２と同様の効果がある。

図８に示すように、外部電源７の一端を小電力用であるモータ３のＵ相入力端子とリレー１１Ｂによって接続し、外部電源７の他方端を大電力用であるモータ４の中性点に接続する。

図９は、図８に示した車両用充電装置の制御を説明するための波形図である。図８、図９を参照して、インバータ１のＵ相のみＰＷＭ変調を行ない、インバータ１の他相（Ｖ相、Ｗ相）およびインバータ２の３相の上下アームをオフ状態に制御する。なお、インバータ２は外部電源７の極性に応じてスイッチングしてもよい。

図１０は、実施の形態３における充電時の電流経路を示した図である。
図９に示したような制御を行なうことにより、図１０に示したような電流経路で電流が流れる。すなわち、外部電源７の電圧が正である時は図１０に示すようにインバータ２の下アームの還流ダイオードには電流が流れ、外部電源７の電圧が負である時は図示しないがインバータ２の上アームの還流ダイオードに電流が流れる。インバータ２のダイオードは、図６に示したダイオードブリッジ９Ａと同様な働きをすることになる。

インバータ２の上下アームの還流ダイオードは、外部電源７の周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）でスイッチングするだけであり、この部分のスイッチング損は小さい。また、平滑用リアクトルとして巻線抵抗の小さい大電力用のモータ４の三相コイルの漏れインダクタンスを利用するため、モータ損失も小さい。

以上説明したように、本実施の形態では、エアコンなどの車載機器用の低電力インバータでスイッチング制御を行なうとともに、車両駆動用などの大電力用モータのコイルを平滑リアクトルとして利用する。これにより大電力用インバータの還流ダイオードの電流を通電させないような回路構成とする。これにより、車両に搭載された大電力用のモータやインバータを流用した充電装置ではインバータ損失が過大であり、低電力用のモータやインバータを流用した充電装置ではモータ損失が過大であったが、大電力用のモータを平滑リアクトルとして流用し、低電力用インバータでスイッチング制御を行なうことで、充電専用のスイッチング素子やリアクトルを追加せずに済むとともに、電力損失を低減することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，２ インバータ、３，４ モータ、５，６ ＰＷＭ制御装置、７ 電源、８ 二次電池、９ ダイオードブリッジ、９Ａ ダイオードモジュール、１０，１１，１１Ｂ，１２，１２Ｂ リレー、１３〜１５ 電力線。

Claims (5)

1. 第１の回転電機と、
   前記第１の回転電機を駆動するための第１のインバータと、
   前記第１の回転電機よりも駆動能力が大きい第２の回転電機と、
   前記第２の回転電機を駆動するための第２のインバータと、
   動作モードが外部充電モードである場合には前記第１のインバータと前記第２の回転電機とを接続し、前記動作モードが前記外部充電モードで無い場合には前記第１のインバータと前記第２の回転電機とを切り離す第１の接続部とを備え、
   前記第１のインバータは、前記動作モードが前記外部充電モードで無い場合に前記第１の回転電機を駆動するために用いられ、前記動作モードが前記外部充電モードである場合に電圧変換のためにスイッチング制御されるスイッチング素子を含み、
   前記第２の回転電機は、前記動作モードが前記外部充電モードで無い場合にステータコイルとして使用され、前記動作モードが前記外部充電モードである場合には前記第１の接続部によって前記スイッチング素子と接続され平滑リアクトルとして使用されるコイルを含む、車両用充電装置。
2. 車両の外部の交流電源を全波整流するためのダイオードブリッジと、
   前記動作モードが前記外部充電モードである場合には前記ダイオードブリッジで整流された直流電圧を前記コイルおよび前記第１のインバータで構成される電圧変換回路に与え、前記動作モードが前記外部充電モードで無い場合には前記ダイオードブリッジと前記電圧変換回路とを切り離す第２の接続部をさらに備える、請求項１に記載の車両用充電装置。
3. 前記第１のインバータの正極電源ラインおよび負極電源ライン間に設けられ２つのダイオードが直列接続されるダイオードモジュールと、
   前記動作モードが前記外部充電モードである場合には前記２つのダイオードの接続点を外部電源に接続し、前記動作モードが前記外部充電モードで無い場合には前記接続点と前記外部電源とを切り離す第２の接続部をさらに備える、請求項１に記載の車両用充電装置。
4. 前記第１の接続部は、前記動作モードが外部充電モードである場合には、車両外部の交流電源を介在させて前記第１のインバータと前記第２の回転電機とを接続し、
   前記第１の接続部は、
   前記交流電源の一方電極を前記第１のインバータに接続する第１のリレーと、
   前記交流電源の他方電極を前記第２の回転電機の前記コイルに接続する第２のリレーとを含む、請求項１に記載の車両用充電装置。
5. 前記第１のインバータは、複数相のアームを含み、
   前記車両用充電装置は、
   前記第１のインバータの前記複数相のアームのスイッチング制御を行う制御部をさらに備え、
   前記制御部は、前記動作モードが外部充電モードである場合には前記複数相のアームのうちの第１のアームをスイッチング制御し、
   前記第１の接続部は、前記動作モードが外部充電モードである場合には前記第１のアームと前記第２の回転電機の前記ステータコイルの中性点とを接続する、請求項１に記載の車両用充電装置。

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