JP7799557B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

車載用インバータと接続される三相電気モータの動作の安全性は、車両の信頼性確保に重要である。例えば、運転中にこの三相モータの相が開放故障した場合、その状態で車両を安全な場所や修理可能な工場まで移動するように制御することが求められている。

下記の特許文献１では、車両が衝突した時に、モータの故障相をインバータから切り離し可能にすることで、故障に対応できる電気自動車の構成が開示されている。

特許第５６９２０１８号公報

特許文献１の構成では、故障の際のインバータとモータとの切り離し時にトルクリプルが発生したり、特定の位相角で車両が止まった場合にモータが回転できなかったりする可能性がある。これを鑑みて本発明は、三相モータの一相オープン故障時に、安定的なトルクを出力する二相制御に移行可能な電力変換装置を提供することを目的とする。

電力変換装置は、直流電力を変換した交流電力を出力して三相モータを駆動させる三相インバータ回路と、前記三相インバータ回路からそれぞれ引き出される三相のインバータ配線を、前記三相モータからそれぞれ引き出される三相のモータ配線または前記三相のモータの中性点のいずれかにそれぞれ接続する切り替え部と、前記三相のインバータ回路と前記切り替え部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記三相モータの一相が故障した場合、故障した前記一相に対応する前記インバータ配線と同じ相の前記モータ配線とを遮断し、当該インバータ配線と前記モータの中性点との接続に切り替えるように、前記切り替え部を制御する。

本発明によれば、三相モータの一相オープン故障時に、安定的なトルクを出力する二相制御に移行可能な電力変換装置を提供できる。

電力変換装置とモータとを制御する制御部についての説明図 本発明の一実施形態に係る、電力変換装置についての説明図 一相開放故障時においての従来の電流経路と本発明の電流経路の説明図 図２の切り替え部および中性点接続部を電子スイッチに組み込んだ実施例 本発明の一実施形態に係る、電力変換装置の制御フロー 図４の電子スイッチを電力変換回路の相にそれぞれ組み込んだ実施例 第１、第２変形例 第３変形例 第４変形例

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

（本発明の一実施形態と装置の全体構成）
（図１）
車両に搭載された電力変換装置（以下インバータ）において、電力変換回路３は、パワー半導体をスイッチングさせることで、直流電源５から入力される直流電流を交流電流に変換し、変換した交流電流によってモータ１を駆動させている。電力変換回路３が三相の場合では、三相分の上アームと下アーム、合わせて６つのパワー半導体が電力変換回路３内に存在する。以下の説明では、三相のインバータを例に説明する。

インバータの制御部１０は、車両の上位コントローラから指示された目標トルクを受けて、Ｄｕｔｙ計算部で、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相それぞれのＤｕｔｙ比を演算する。つづいて、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号生成部では、演算されたＤｕｔｙ比に基づいてＰＷＭ信号を生成し、そのＰＷＭ信号をドライバ回路に入力する。ドライバ回路は、入力されたＰＷＭ信号に基づいて駆動信号を生成し、電力変換回路３へその駆動信号を入力する。電力変換回路３は、入力された駆動信号によって動作する。電力変換回路３は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー半導体を実装し、そのパワー半導体をスイッチング動作することで、直流電源５からの直流電力を三相交流電力へと変換している。なお、電力変換回路３がリレー回路を有している場合、そのリレー回路は、制御部１０のリレー回路制御部６によって制御されている。

電力変換回路３から出力される三相交流電流値は、電流センサ１２（以下センサ１２）によって取得され、フィードバックによりＤｕｔｙ計算部の演算に使用される。モータ１が故障した場合、制御部１０の故障検知部は、センサ１２から三相交流電流値を取得し、取得した電流値に基づいて、モータ１の故障情報をＰＷＭ信号生成部や上位のコントローラへフィードバックする。

モータ１は、内部に３個の巻き線を有した３相モータであり、電力変換回路３から出力される交流電力によって駆動される。モータ１は、例えば永久磁石を用いた同期モータや、永久磁石を用いない誘導モータなどである。電力変換装置は、モータ１の動力を直流電力に変換して直流電源５を充電する機能も有する。

（図２）
電力変換回路３は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相６つのパワー半導体を有する。平滑コンデンサ４は、パワー半導体のオン/オフによって生じる電流を平滑化し、直流電源５から電力変換回路３へ供給される直流電流のリップルを抑制するコンデンサである。平滑コンデンサ４は、例えば電解コンデンサやフィルムコンデンサなどが使用される。直流電源５はモータ１を駆動させる電力を供給する電源であり、例えばバッテリなどである。電力変換回路３は、直流電源５から入力される直流電力を、ドライバ回路から入力される駆動信号によって内部のパワー半導体のオン／オフを切り替えることで、交流電力に変換してモータ１を駆動させる。パワー半導体は、ＩＧＢＴに限らず、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）なども含まれる。

パワー半導体は相ごとに上下２つずつに分けられ、上側３つのパワー半導体が上アーム、下側３つのパワー半導体が下アームである。電力変換回路３から引き出される配線（インバータ配線）は、モータ配線を介してモータ１の各相の巻き線とそれぞれ接続する。センサ１２はモータ１の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に流れる交流電流を測定するセンサである。センサ１２は、測定した各相の交流電流を交流電流値として制御部１０に出力する。

電力変換回路３とモータ１との間には、電力変換回路３からそれぞれ引き出される三相のインバータ配線を、モータ１からそれぞれ引き出される三相のモータ配線またはモータ１の中線点のいずれかにそれぞれ接続する切り替え部８を備えている。また、モータ１の中性点と切り替え部８は、中性点接続部９を介して接続される。

切り替え部８は、３つの３点リレー回路で構成される。中性点接続部９は、１つの２点リレー回路で構成される。切り替え部８と中性点接続部９それぞれのリレー回路は、前述した制御部１０が有するリレー回路制御部６によって制御される。リレー回路制御部６は、マイクロコンピュータの一機能として実現できる。

電力変換回路３と切り替え部８を制御する制御部１０は、モータ１の一相が故障した場合、故障した一相に対応するインバータ配線と同じ相のモータ配線とを遮断し、当該インバータ配線と三相モータ１の中性点との接続に切り替えるように、切り替え部８を制御する。

（図３）
図２に説明した本発明の構成の効果について、図３（ａ）の従来技術を適用した三相モータの開放故障時の三相交流電流の流れ、図３（ｂ）の本発明を適用した場合の三相モータの開放故障時の三相交流電流の流れの図を用いて説明する。モータ１の三相のうち一相が開放故障した場合、図１に前述した故障検知部は、センサ１２から取得する三相交流電流値とドライバ回路の動作を比較して、モータ１の故障と故障した相を検知する。ここで、図３（ａ）に示す従来のモータ１では、三相のうち一相が開放故障した場合、交流電流の還流経路において、残りの２相は１８０°位相でのみ電流経路１１ａが形成される（逆向きの流れも同様）。そのため、トルクの出力の大きさに波が生じてしまい、最小トルクとなる電気角で車両が停止した場合、再び車両を動かすための十分なトルクを得られない可能性がある。

そこで本発明では、図３（ｂ）に示すように、電力変換回路３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれのパワー半導体とモータ１との間に、３点リレー回路の切り替え部８を設ける。また、切り替え部８とモータ１の中性点との間に、２点リレー回路の中性点接続部９を設けている。切り替え部８のリレー回路は、リレー回路制御部６（図１）からの指令により、パワー半導体～モータ１間、または、中性点接続部９～モータ１間のいずれかを繋ぐように、回路を切り替える動作を行う。

中性点接続部９の２点リレー回路は、切り替え部８の３点リレー回路のうち一点のリレー回路と、モータ１の中性点との間に設置される。中性点接続部９は、切り替え部８のリレー回路と同様に、リレー回路制御部６からの指令により、オンまたはオフの切り替え動作を行う。これにより、モータ１側の誘起電圧は、電力変換回路３にたいして完全に遮断される。

本発明では、三相のうち一相が開放故障した場合、切り替え部８は、３点リレー回路の中で故障した一相に対応するリレー回路をモータ１の中性点とつなぐように切り替える。またこの時、中性点接続部９は、切り替え部８の故障した一相に対応するリレー回路とモータ１の中性点とをつなぐ切り替えを行うことで、モータ１の開放故障相に対応する電力変換回路３のレグが、モータ１の中性点と接続される。このようにすることで、開放故障したモータ１の故障相と電力変換回路３側を切り離して欠相と同じ状態にして、残り２相の電流位相差が６０度になるように残り２相のドライバ回路を制御する。そのため、モータ１の中性点からインバータに対して、二相制御のための電流の還流経路１１ｂを確保することができ、トルクリプルを抑制したトルク制御を実現できる。つまり、車両において、モータ１の巻線故障時に安定的なトルクを出力できる。

（図４）
本発明のリレー回路の切り替えをＦＥＴ（Field Effect Transistor）で構成した実施例を示す。電力変換回路３の各レグとモータ１の各相への入力とのスイッチ回路とをバックツーバックで接続した２つのＦＥＴが３対で構成されている。また、電力変換回路３の各レグとモータ１の中性点とのスイッチ回路を実現するバックツーバックで接続された２つのＦＥＴの３対で構成されている。このように、切り替え部８と中性点接続部９は、半導体スイッチング回路である電子スイッチ７でそれぞれ構成される。これらＦＥＴのオン／オフは、制御部１０に含まれるリレー回路制御部６からの信号によって制御される。

このような構成では、通常動作において全ての相とモータ１の間のＦＥＴはＯＮ状態となり、モータ１の中性点とのＦＥＴは全てＯＦＦ状態とする。また、いずれか一相のモータ１の巻線開放故障では、いずれか一相のレグ～モータ１の巻線間をＯＦＦにし、電力変換回路３と故障巻線を電気的に切り離す一方で、故障に対応したいずれか一相のレグとモータ１の中性点とを繋ぐＦＥＴはＯＮにする。これにより、電子スイッチ７にリレー回路を用いた構成であっても、二相制御を可能にするモータ１の巻線の接続を実現できる。そのため、６点の半導体スイッチで実現が可能である。また、このように、半導体スイッチ７を用いて切り替え部８と中性点接続部９を実現することで、より小型／軽量化でき、またリレー回路制御部６からの指令に対して応答速度を高めることが出来る。

（図５）
制御部１０の制御フローチャートを説明する。ステップＳ１では、ＨＶＡＣ電流とＩＧＢＴの動作とを比較して、モータ１の開放故障を検知する。ステップＳ１では、例えば、ＩＧＢＴをオンにしているのに電流が流れない場合を上下アームで確かめる。ステップＳ１でモータ１の開放故障を検知できなければフローを終了する。ステップＳ２では、モータ１の故障検知後、一度安全状態へ移行するために、全てのＩＧＢＴをオフにして、ゼロトルク状態にする。ステップＳ３では、故障を特定したモータ１のいずれかの相と繋がる３点リレー回路を、電力変換回路３の各レグと２点リレー回路との接続へ切り替える。なお、ステップＳ３で正常の相と繋がる３点リレー回路については、正常時と同様の接続を維持する。ステップＳ４では、３点リレー回路と三相モータ１の中性点を繋ぐ２点リレー回路をオンにする。ステップＳ５では、正常動作している残りの二相の動作を確認する。ステップＳ５では、例えば、慣性によってモータ１が回転している場合、発生した誘起電圧による電流を残りの二相の電流センサ１２で検知すれば、モータ１の二相が有効であると判断できる。ステップＳ５で、残りの二相が正常と判断できれば、ステップＳ６で電力変換回路３を二相制御に切り替え、フローを終了する。ステップＳ５で、残りの二相が正常と判断出来なければ、ステップＳ１に戻り、モータ１の故障診断を行う。

（図６）
インバータが備える電力変換回路３は、一相分の上下アームのＩＧＢＴやその周辺回路、放熱機構を一つのモジュールにした、パワーカードやパワーモジュールと呼ばれる構造を、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の分を束ねて構成される。そこで、切り替え部８と中性点接続部９のリレー回路で、半導体スイッチ７として構成したものを、この電力変換回路３内にそれぞれ組み込む。この構成により、リレー回路の発熱に対応する半導体の冷却を、ＩＧＢＴ等のパワー半導体と共通にでき、放熱構造の簡素化を図り、冷却構造のレイアウトの変更を最小限に抑えることが出来る。

（図７）
（第１変形例、第２変形例）
図７（ａ）に示す第１変形例のように、インバータ３ａ内に、電力変換回路３以外に切り替え部８と中性点接続部９を備える構成であってもよい。これにより、モータ１の故障相をインバータ３ａから切り離し、二相制御のための電流の還流経路を中性点からインバータ３ａへ確保することが出来る。また、三相インバータ回路３を複数有する構成であっても、同様の効果を得ることができる。

また、図７（ｂ）に示す第２変形例のように、モータ筐体１ａ側に切り替え部８と中性点接続部９を備える構成であってもよい。切り替え部８と中性点接続部９は、モータ１ａの筐体内に配置されることで、切り替え部８を三相全て中性点接続部９側へ切換えると同時に、中性点接続部９をオフにすることで、衝突事故など車両に著しい破損が発生した場合に高電圧ケーブルの断線が懸念される場合に備えて、モータ１の故障相をモータ１ごとインバータ３ａから電気的に分離することが出来る。また、二相制御のための電流の還流経路を中性点からインバータ３ａへ確保することが出来る。また、モータ筐体１ａ内のリレーをＯＦＦにすることで、ケーブル断線による誘起電圧による感電を防ぎ、モータ巻線の開放故障での安定動作の実現、高電圧感電に対する安全性向上を実現する。

（図８）
（第３変形例）
インバータ３ａとモータ１ａを４本ケーブルで接続する構成であっても良い。インバータ３ａが備える電力変換回路３とモータ１（モータ筐体１ａ）とを接続する４本のケーブルのうち、３本のケーブルは、三相のインバータ配線と三相のモータ配線とを接続し、残り１本のケーブルは、切り替え部８とモータ１の中性点とを接続する。このようにすることで、車両におけるインバータ３ａとモータ筐体１ａの搭載自由度が向上する。

（図９）
（第４変形例）
本発明は、インバータ３ａが備える電力変換回路３と、モータ１が４本バスバ１４によって直接接続されるような一体型の構成であってもよい。この場合、４本のバスバのうち、３本のバスバは、三相のインバータ配線と三相のモータ配線とを接続し、残り１本のバスバは、切り替え部８とモータ１の中性点とを接続する。このような構成であれば、高電圧ケーブルの接続が必要なインバータ３ａとモータ１ａ分離の構成と比較しても、コストと重量の影響を最小限に抑えることができる。

以上説明した本発明の一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）電力変換装置は、直流電力を変換した交流電力を出力して三相モータ１を駆動させる三相インバータ回路３と、三相インバータ回路３からそれぞれ引き出される三相のインバータ配線を、三相モータ１からそれぞれ引き出される三相のモータ配線または三相モータ１の中性点のいずれかにそれぞれ接続する切り替え部８と、三相のインバータ回路３と切り替え部８を制御する制御部１０と、を備える。制御部１０は、三相モータ１の一相が故障した場合、故障した一相に対応するインバータ配線と同じ相のモータ配線とを遮断し、当該インバータ配線と三相モータ１の中性点との接続に切り替えるように、切り替え部８を制御する。このようにしたことで、三相モータ１の一相オープン故障時に、安定的なトルクを出力する二相制御に移行可能な電力変換装置を提供できる。

（２）三相モータ１の中性点と切り替え部８は、中性点接続部９を介して接続される。このようにしたことで、モータ１の故障相を電力変換回路３から切り離し、二相制御のための電流の還流経路を中性点から電力変換回路３へ確保することが出来る。

（３）切り替え部８と中性点接続部９は、電子スイッチ７でそれぞれ構成される。このようにしたことで、小型／軽量化でき、またリレー回路制御部６からの指令に対して応答速度を高めることが出来る。

（４）電子スイッチ７は、三相インバータ回路３内に設けられる。このようにしたことで、放熱構造の簡素化を図り、レイアウトの変更を最小限に抑えることが出来る。

（５）三相インバータ回路３と三相モータ１とは、４本のケーブル１３で接続され、４本のケーブル１３のうち、３本のケーブルは、三相のインバータ配線と三相のモータ配線とを接続し、残り１本のケーブルは、切り替え部８と三相モータ１の中性点とを接続する。このようにしたことで、車両におけるインバータ３ａとモータ１ａの搭載自由度が向上する。

（６）三相インバータ回路３と三相モータ１とは、４本のバスバ１４で接続され、４本のバスバ１４のうち、３本のバスバは、三相のインバータ配線と三相のモータ配線とを接続し、残り１本のバスバは、切り替え部８と三相モータ１の中性点とを接続する。このようにしたことで、コストと重量の影響を最小限に抑えることができる。

（７）三相インバータ回路３を複数有する。このようにしたことで、出力を向上させても、三相モータ１の一相オープン故障時に、安定的なトルクを出力できる二相制御に移行できる。

（８）切り替え部８と中性点接続部９は、三相モータ筐体１ａ内に配置される。このようにしたことで、ケーブル断線による誘起電圧による感電を防ぎ、モータ巻線の開放故障での安定動作の実現、高電圧感電に対する安全性向上を実現する。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や他の構成を組み合わせることができる。また本発明は、上記の実施形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。

１ 三相モータ
１ａ モータ筐体
２ リレー回路
３ 電力変換回路
３ａ 電力変換装置（インバータ）
４ 平滑コンデンサ
５ 直流電源
６ リレー回路制御部
７ 半導体スイッチ
８ 切り替え部（３点リレー回路）
９ 中性点接続部（２点リレー回路）
１０ 制御部
１１ 電流の流れ
１１ａ 従来の１相分故障時の電流経路
１１ｂ 本発明の１相分故障時の電流経路
１２ 電流センサ
１３ ４本ケーブル
１４ ４本バスバ

Claims (8)

1. 直流電力を変換した交流電力を出力して三相モータを駆動させる三相インバータ回路と、
   前記三相インバータ回路からそれぞれ引き出される三相のインバータ配線を、前記三相モータからそれぞれ引き出される三相のモータ配線または前記三相のモータの中性点のいずれかにそれぞれ接続する切り替え部と、
   前記三相インバータ回路と前記切り替え部を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記三相モータの一相が故障した場合、故障した前記一相に対応する前記インバータ配線と同じ相の前記モータ配線とを遮断し、かつ当該インバータ配線と前記モータの中性点との接続に切り替えるように、前記切り替え部を制御するとともに、前記三相モータのうち故障していない残りの二相に接続されている前記三相インバータ回路のうちの二相について、前記交流電力における当該二相の電流位相差が６０度になるように、前記三相インバータ回路を制御する
   電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記三相モータの中性点と前記切り替え部は、中性点接続部を介して接続される
   電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置であって、
   前記切り替え部と前記中性点接続部は、電子スイッチでそれぞれ構成される
   電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置であって、
   前記電子スイッチは、前記三相インバータ回路内に設けられる
   電力変換装置。
5. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記三相インバータ回路と前記三相モータとは、４本のケーブルで接続され、
   前記４本のケーブルのうち、３本のケーブルは、前記三相のインバータ配線と前記三相のモータ配線とを接続し、残り１本のケーブルは、前記切り替え部と前記三相モータの中性点とを接続する
   電力変換装置。
6. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記三相インバータ回路と三相前記モータとは、４本のバスバで接続され、
   前記４本のバスバのうち、３本のバスバは、前記三相のインバータ配線と前記三相のモータ配線とを接続し、残り１本のバスバは、前記切り替え部と前記三相モータの中性点とを接続する
   電力変換装置。
7. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記三相インバータ回路を複数有する
   電力変換装置。
8. 請求項２に記載の電力変換装置であって、
   前記切り替え部と前記中性点接続部は、前記三相モータの筐体内に配置される
   電力変換装置。