車両用マルチフェーズコンバータ
【課題】車両用マルチフェーズ昇圧コンバータにおいて、昇圧動作及び充電動作を切換えることができるともに、リアクトルの数を実質的に削減して低コスト化を図る。
【解決手段】車両用マルチフェーズ昇圧コンバータは、リアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３を備える。リレーＲｅ１〜Ｒｅ７を切換えることで昇圧モードと充電モードを切換える。リアクトルＬ１，Ｌ２はコア構造に形成されて磁気結合するとともに、リアクトルＬ３も同一コア構造の残りの磁路に形成され、容積の増大が抑制される。
【解決手段】車両用マルチフェーズ昇圧コンバータは、リアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３を備える。リレーＲｅ１〜Ｒｅ７を切換えることで昇圧モードと充電モードを切換える。リアクトルＬ１，Ｌ２はコア構造に形成されて磁気結合するとともに、リアクトルＬ３も同一コア構造の残りの磁路に形成され、容積の増大が抑制される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車両用マルチフェーズコンバータに関し、特に外部電源による充電が可能なリレー切り替え型のマルチフェーズコンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車等において、電源電圧とインバータの駆動電圧の最適化を測るために、電源電圧を昇圧してインバータに供給する昇圧コンバータが用いられている。一方、自動車の仕様によっては充電装置が必要となり、例えばプラグインハイブリッド自動車では家庭用電源からの電力で車載二次電池を充電するための充電器が必要となる。昇圧コンバータとしての機能と、外部電源からの電力で車載二次電池を充電するための充電機能は、リレーを用いて適宜切り替えることが可能である。
【０００３】
図９に、昇圧コンバータとしての機能と、充電機能とを切り替えることが可能な車両用マルチフェーズコンバータの一例を示す。リレー切り替え型２相昇圧コンバータである。
【０００４】
二次電池Ｖｂの正極側に、リレーＲｅ３を介してスイッチング素子Ｓ１の正極側端子及びスイッチング素子Ｓ３の正極側の端子が並列に接続され、二次電池Ｖｂの負極側に、スイッチング素子Ｓ２の負極側の端子及びスイッチング素子Ｓ４の負極側の端子が並列に接続される。スイッチング素子Ｓ１の他方の端子とスイッチング素子Ｓ２の他方の端子は直列に接続され、スイッチング素子Ｓ３の他方の端子とスイッチング素子Ｓ４の他方の端子は直列に接続される。また、二次電池Ｖｂの正極側に、リレーＲｅ３を介してキャパシタＣ１の正極側端子がスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４と並列に接続され、キャパシタＣ１の負極側端子は抵抗Ｒ１を介して二次電池Ｖｂの負極側に接続される。
【０００５】
また、二次電池Ｖｂの正極側と、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４の接続節点との間に、リレーＲｅ１及びリアクトルＬ１が直列に接続される。また、これと並列して、二次電池Ｖｂの正極側と、スイッチング素子Ｓ２とスイッチング素子Ｓ２の接続節点との間に、リレーＲｅ２及びリアクトルＬ２が直列に接続される。家庭用電源（ＡＣ１００Ｖ）と接続するコンセント（電源プラグ）１０は、リレーＲｅ１とリアクトルＬ１との間、及びリレーＲｅ２とリアクトルＬ２との間に接続される。
【０００６】
さらに、キャパシタＣ１の正極側端子は、互いに並列接続されたリレーＲｅ４、リレーＲｅ５、抵抗Ｒ２を介してキャパシタＣ２の正極側端子に接続される。キャパシタＣ２の負極側端子は、互いに並列接続された抵抗Ｒ１、リレーＲｅ６を介するとともに、リレーＲｅ７を介してキャパシタＣ２の負極側端子に接続される。キャパシタＣ２はインバータ１２に接続される。
【０００７】
ここで、抵抗Ｒ１，Ｒ２は、それぞれキャパシタＣ１，Ｃ２を充電するための抵抗であり、キャパシタ電圧をバランスさせてからメインリレーをオンするためのものである。キャパシタＣ２は、いわゆる平滑用キャパシタであり、リレーＲｅ４，Ｒｅ５，Ｒｅ７はシステムメインリレーである。単なる昇圧コンバータと比べて、リレーＲｅ１，Ｒｅ２，Ｒｅ３，Ｒｅ６，抵抗Ｒ１，キャパシタＣ１が付加された構成である。
【０００８】
このような構成において、昇圧コンバータとして機能させる場合には、リレーＲｅ３をオフとし、リレーＲｅ１，Ｒｅ２，Ｒｅ４，Ｒｅ５，Ｒｅ６，Ｒｅ７をオンする。そして、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４をオン、オフ制御することでリアクトルＬ１，Ｌ２に誘導起電力を生じさせ、二次電池Ｖｂの端子電圧以上に昇圧してキャパシタＣ１を充電してインバータ１２に昇圧後の電圧を印加する。
【０００９】
一方、充電モードで機能させる場合には、リレーＲｅ１，Ｒｅ２，Ｒｅ４，Ｒｅ５，Ｒｅ７をオフとし、リレーＲｅ３，Ｒｅ６をオンにする。すると、図１０に示す回路構成となり、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４をオン、オフ制御することでインバータとして動作させ、コンセント１０からの交流電力を直流電力に変換してキャパシタＣ１を充電し、さらにキャパシタ１８の放電により二次電池Ｖｂを充電する。
【００１０】
なお、図９に示す昇圧コンバータは２相昇圧コンバータであるが、マルチフェーズコンバータにすれば小型化が可能であることが知られている。例えば、下記の非特許文献１には、昇圧チョッパの容量を１／ＮにしてＮ個を並列に接続し、駆動パルスの位相を２π／Ｎずつずらした構成をＮ相のマルチフェーズコンバータと称している。
【００１１】
また、非特許文献２，３には、２相磁気結合リアクトルの構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平８−３０８２５５号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】”Automotive Powertrain DC/DC Converter with 25kW/dm3 by using SIC Diodes “, B. Eckardt, A. Hofmann, S. Zeltner, M. Maerz, CIPS2006
【非特許文献２】” Performance Improvements of Interleaving VRMS with coupling inductors”, Pit-Leong Wong et al, IEEE Trns. On Power Electronics Vol.16, No.4, 2001
【非特許文献３】” Investing Coupling Inductors in the Interleaving QSW VRM” Pit-Leong Wong, Q. Wu, Peng Xu, Proceedings APEC 2000
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、単にマルチフェーズ化（多相化）することは、その分だけリアクトルの数が増え、コストが増加する問題がある。図９の構成では、Ｌ１，Ｌ２の２つのリアクトルが必要となりコストが高くなることに加え、電池電流が制御できない問題もある。なお、電池への充電電流の制御のために、２相ではなく３相構成とし、３相目で電池電流の制御を行うことも考えられるが、その分だけさらにリアクトルの数が増大してしまう問題がある。
【００１５】
本発明の目的は、車両用マルチフェーズ昇圧コンバータにおいて、昇圧動作及び充電動作を切換えることができるともに、リアクトルの数を実質的に削減して低コスト化を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、相互に切換え可能な昇圧モードと充電モードとを備え、前記昇圧モードにおいて二次電池の電圧を昇圧リアクトルにより昇圧し、前記充電モードにおいて外部電源からの交流電力を整流するとともに降圧リアクトルにより降圧して前記二次電池を充電する、車両用マルチフェーズ昇圧コンバータであって、前記外部電源は単相電源であり、前記昇圧リアクトルは、コア構造に２つのリアクトルが形成されることで２相磁気結合リアクトルを構成するとともに、前記降圧リアクトルは、前記コア構造のうち前記昇圧リアクトルが形成されていない磁路部分に形成されることで、同一コア構造に前記昇圧リアクトル及び前記降圧リアクトルがともに形成されることを特徴とする。
【００１７】
本発明の１つの実施形態では、前記コア構造は、所定間隔だけ離間した位置に順次形成された第１、第２および第３凸状脚部を備えたコア片を互いに対向配置させて構成され、前記昇圧リアクトルは、前記第１及び第３凸状脚部に形成され、前記降圧リアクトルは、前記第２凸状脚部に形成される。
【００１８】
また、本発明の他の実施形態では、前記降圧リアクトルは、前記コア片の対のそれぞれの前記第２凸状脚部に独立に形成された第１降圧リアクトル及び第２降圧リアクトルから構成され、前記第１降圧リアクトル及び前記第２降圧リアクトルが電圧変換用トランスとして機能する。
【００１９】
また、本発明は、相互に切換え可能な昇圧モードと充電モードとを備え、前記昇圧モードにおいて二次電池の電圧を昇圧リアクトルにより昇圧し、前記充電モードにおいて外部電源からの交流電力を整流するとともに降圧リアクトルにより降圧して前記二次電池を充電する、車両用マルチフェーズ昇圧コンバータであって、前記外部電源は３相電源であり、前記昇圧リアクトルは、コア構造に３つのリアクトルが形成されることで３相磁気結合リアクトルを構成するとともに、前記降圧リアクトルは、前記コア構造のうち前記昇圧リアクトルが形成されていない磁路部分に形成されることで、同一コア構造に前記昇圧リアクトル及び前記降圧リアクトルがともに形成されることを特徴とする。
【００２０】
本発明の１つの実施形態では、前記コア構造は、所定間隔だけ離間した位置に順次形成された第１、第２、第３、第４および第５凸状脚部を備えたコア片を互いに対向配置させて構成され、前記昇圧リアクトルは、前記第１、第３及び第５凸状脚部に形成され、前記降圧リアクトルは、前記第２あるいは第４凸状脚部の少なくともいずれかに形成される。
【００２１】
また、本発明の他の実施形態では、前記降圧リアクトルは、前記コア片の対のそれぞれの前記第２及び第４凸状脚部に独立に形成された第１降圧リアクトル及び第２降圧リアクトルから構成され、前記第１降圧リアクトル及び前記第２降圧リアクトルが電圧変換用トランスとして機能する。
【００２２】
また、本発明の他の実施形態では、前記降圧リアクトルは、前記第２及び第４凸状脚部に形成され、互いに直列あるいは並列接続される。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、車両用マルチフェーズ昇圧コンバータにおいて、昇圧動作及び充電動作を切換えるとともに、リアクトルの数を実質的に削減して低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態における車両用マルチフェーズ昇圧コンバータの回路構成図である。
【図２】実施形態における３相昇圧コンバータの基本回路構成図である。
【図３】図２の回路構成における充電モード時の等価回路構成図である。
【図４Ａ】２相磁気結合リアクトルのコア構造説明図である。
【図４Ｂ】２相磁気結合リアクトルの説明図である。
【図４Ｃ】実施形態の補助コイルを形成した２相磁気結合リアクトルの説明図である。
【図５】他の実施形態における車両用マルチフェーズ昇圧コンバータの回路構成図である。
【図６Ａ】３相磁気結合リアクトルのコア構造説明図である。
【図６Ｂ】３相磁気結合リアクトルの説明図である。
【図６Ｃ】実施形態の補助コイルを形成した３相磁気結合リアクトルの説明図である。
【図７】他の実施形態における３相磁気結合リアクトルの説明図である。
【図８】他の実施形態における２相磁気結合リアクトルの説明図である。
【図９】従来回路の回路構成図である。
【図１０】図９の回路構成における充電モード時の等価回路構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００２６】
図１に、本実施形態における車両用マルチフェーズ昇圧コンバータの回路構成を示す。二次電池Ｖｂの正極側に、リアクトルＬ３、リレーＲｅ３及びスイッチＳ５を介してスイッチング素子Ｓ１の正極側端子及びスイッチング素子Ｓ３の正極側の端子が並列に接続され、二次電池Ｖｂの負極側に、スイッチング素子Ｓ２の負極側の端子及びスイッチング素子Ｓ４の負極側の端子が並列に接続される。スイッチング素子Ｓ１の他方の端子とスイッチング素子Ｓ２の他方の端子は直列に接続され、スイッチング素子Ｓ３の他方の端子とスイッチング素子Ｓ４の他方の端子は直列に接続される。また、二次電池Ｖｂの正極側に、リアクトルＬ３、リレーＲｅ３及びスイッチＳ５を介してキャパシタＣ１の正極側端子がスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４と並列に接続され、キャパシタＣ１の負極側端子は抵抗Ｒ１を介して二次電池Ｖｂの負極側に接続される。スイッチング素子Ｓ５と二次電池Ｖｂの負極の間にスイッチング素子Ｓ６が接続される。
【００２７】
また、二次電池Ｖｂの正極側と、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４の接続節点との間に、リレーＲｅ１及びリアクトルＬ１が直列に接続される。また、これと並列して、二次電池Ｖｂの正極側と、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２の接続節点との間に、リレーＲｅ２及びリアクトルＬ２が直列に接続される。家庭用電源（ＡＣ１００Ｖ）と接続するコンセント（電源プラグ）１０は、リレーＲｅ１とリアクトルＬ１との間、及びリレーＲｅ２とリアクトルＬ２との間に接続される。
【００２８】
また、キャパシタＣ１の正極側端子は、互いに並列接続されたリレーＲｅ４、リレーＲｅ５、抵抗Ｒ２を介してキャパシタＣ２の正極側端子に接続される。キャパシタＣ２の負極側端子は、互いに並列接続された抵抗Ｒ１、リレーＲｅ６を介するとともに、リレーＲｅ７を介してキャパシタＣ２の負極側端子に接続される。キャパシタＣ２はインバータ１２に接続される。
【００２９】
図９の回路構成との比較では、図１における符号Ａで示す回路が新たに付加されている。すなわち、回路ＡはリアクトルＬ３、リレーＲｅ３及びスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６から構成され、リレーＲｅ３とリアクトルＬ３は互いに直列接続されてリアクトルＬ３の一端が二次電池Ｖｂの正極に接続される。リレーＲｅ３の一端はリアクトルＬ３の他端に接続され、リレーＲｅ３の他端はスイッチング素子Ｓ５とスイッチング素子Ｓ６の接続節点に接続される。
【００３０】
このような構成において、充電モードで機能させる場合には、リレーＲｅ１，Ｒｅ２，Ｒｅ４，Ｒｅ５，Ｒｅ７をオフにするととともに、リレーＲｅ３，Ｒｅ６をオンする。そして、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４をオン、オフすることによってキャパシタＣ１に充電し、その後、スイッチング素子Ｓ５をオフしスイッチング素子Ｓ６をオンにするとリアクトルＬ３を介してスイッチング素子Ｓ６に電流が流れる。このとき、二次電池Ｖｂの電圧にリアクトルＬ３の誘導起電力を加えた電圧がキャパシタＣ１の端子間電圧より小さいときに、スイッチング素子Ｓ５をオンすることでキャパシタＣ１からリアクトルＬ３を介して二次電池Ｖｂに電流が流れ、二次電池Ｖｂが充電される。このように、リアクトルＬ３を降圧用リアクトルとして機能させるとともに二次電池Ｖｂの寿命を劣化させる電流リップルを抑制しつつ、キャパシタＣ１の蓄積電荷を放電させて二次電池Ｖｂを充電する。
【００３１】
なお、図１の構成は、図２及び図３に示す３相昇圧コンバータの構成と実質的に等価であり、３個のリアクトルＬ１〜Ｌ３が必要となる点においても同じである。図２は、３相昇圧コンバータの基本回路構成であり、図３は充電モード時における図２の等価回路図である。図２について簡単に説明すると、二次電池Ｖｂとインバータ１２との間にスイッチング素子群Ｓ１〜Ｓ６が接続され、二次電池Ｖｂの正極と、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２の接続節点間にリレーＲｅ１及びリアクトルＬ１が接続される。また、これと並列に、二次電池Ｖｂの正極と、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４の接続節点間にリレーＲｅ２及びリアクトルＬ２が接続される。また、これと並列に、二次電池Ｖｂの正極と、スイッチング素子Ｓ５とスイッチング素子Ｓ６の接続節点にリレーＲｅ３及びリアクトルＬ３が接続される。コンセント１０はフィルタを介してリレーＲｅ１とリアクトルＬ１の接続節点、及びリレーＲｅ２とリアクトルＬ２の接続節点に接続される。昇圧モードにおいては、リレーＲｅ１，Ｒｅ２，Ｒｅ３をオンするとともにスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６をオンオフ制御して二次電池Ｖｂの直流電圧を昇圧してキャパシタＣ２を充電し、インバータ１２に供給する。
【００３２】
また、充電モードにおいては、リレーＲｅ１，Ｒｅ２をオフにして図３の回路構成とし、外部電源からの交流電力を整流するとともに、リアクトルＬ３を降圧用リアクトルとして用いて充電電流を制御する。具体的には、外部電源の電圧が単相のＶｓｉｎωｔであるとすると（Ｖは電圧振幅、ωは角周波数、ｔは時間）、外部電源を基準としたリアクトルＬ１の端子間電圧、及びスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の接続節点側を基準としたリアクトルＬ２の端子間電圧が１／２Ｂｃｏｓ（ωｔ）となるように（Ｂは電圧振幅）、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４をオンオフする。リアクトルＬ１，Ｌ２の誘導起電力により、外部電源の電極間の電圧振幅よりも大きい電圧がキャパシタＣ２に印加される。そして、スイッチング素子Ｓ５をオフしスイッチング素子Ｓ６をオンとすると、リアクトルＬ３を介して二次電池Ｖｂの正極からスイッチング素子Ｓ６に電流が流れる。この状態においてスイッチング素子Ｓ６をオフにすると、リアクトルＬ３に誘導起電力が生じる。このとき、二次電池Ｖｂの出力電圧にリアクトルＬ３の誘導起電力を加えた電圧がキャパシタＣ２の端子電圧より小さい場合に、スイッチング素子Ｓ５をオンすることでキャパシタＣ２からリアクトルＬ３を介してキャパシタＣ１及び二次電池Ｖｂに電流が流れ、二次電池Ｖｂが充電される。
【００３３】
このように、図１の回路におけるリアクトルＬ３は図３の回路におけるリアクトルＬ３と同様に充電モードにおける降圧リアクトルとして機能するが、本実施形態では、図１のリアクトルＬ１〜Ｌ３として、それぞれ別個のリアクトルを用いるのではなく、補助コイルを巻いた２相結合磁気リアクトルを用いる点に特徴がある。
【００３４】
図４Ａ〜図４Ｃに、図１におけるリアクトルＬ１〜Ｌ３の構成を示す。図４Ａ、図４Ｂは基本となる２相磁気結合リアクトルの構造であり、非特許文献２，３に開示された磁気結合リアクトルである。図４Ａに示すように、断面形状がＥ字型をなすコア片、すなわち所定間隔だけ離間させて３つの凸部が形成されたコア片を、互いに凸部が対向するように配置させてコア構造５０が構成され、互いに対向するコア片の凸部を第１脚部５０ａ、第２脚部５０ｂ、第３脚部５０ｃとすると、図４Ｂに示すようにコア構造の２つの脚部である第１脚部５０ａ、第２脚部５０ｂにリアクトルＬ１，Ｌ２を形成することで、リアクトルＬ１によって生じる独立した磁束１０１と、リアクトルＬ２によって生じる独立した磁束１０２と、２つのリアクトルＬ１，Ｌ２が干渉して生じる干渉磁束１１０が存在し、磁気的に結合している。
【００３５】
このような構成に加え、本実施形態では、さらに図４Ｃに示すように補助コイルとしてのリアクトルＬ３を２相磁気結合リアクトルの残りの第３脚部５０ｃに形成する。リアクトルＬ３は、リアクトルＬ１，Ｌ２の２相磁気結合リアクトルと別個に設けるのではなく、このように２相磁気結合リアクトルの脚部に形成することで、低コスト化を図ることができる。
【００３６】
なお、このようにリアクトルＬ３を２相磁気結合リアクトルに形成しても図１の回路動作に影響はない。その理由は、図１に示す昇圧コンバータの昇圧モードは搭載される車両の駆動時に動作するものであり、その一方で外部電源からの充電モードは搭載される車両の停止時に動作するものである。そして、充電モードにおいて充電している際の電力は昇圧電力の１／２以下で済むため、充電時にリアクトルＬ１，Ｌ２とリアクトルＬ３とを同時に動作させても問題は生じない。
【００３７】
このように、２相磁気結合リアクトルにリアクトルＬ３を付加する構成とすることで、１つの部品で３つのリアクトルを形成することが可能となり、低コスト化が図られるとともにサイズの縮小も図られる。２相磁気結合リアクトル自体の体積増加分は、単にリアクトルＬ３の増加分だけで済むからである。
【００３８】
図５に、他の実施形態における車両用マルチフェーズ昇圧コンバータの回路構成を示す。図１では、家庭用電源は単相のＡＣ１００Ｖであるが、図５では外部電源は３相（３Φ）のＡＣ２００Ｖの場合である。
【００３９】
二次電池Ｖｂの正極側に、リアクトルＬ４，リレーＲｅ８及びスイッチＳ７を介してスイッチング素子Ｓ１の正極側端子、スイッチング素子Ｓ３の正極側端子及びスイッチング素子Ｓ５の正極側の端子が並列に接続され、二次電池Ｖｂの負極側に、スイッチング素子Ｓ２の負極側の端子、スイッチング素子Ｓ４の負極側端子及びスイッチング素子Ｓ６の負極側の端子が並列に接続される。スイッチング素子Ｓ１の他方の端子とスイッチング素子Ｓ２の他方の端子は直列に接続され、スイッチング素子Ｓ３の他方の端子とスイッチング素子Ｓ４の他方の端子は直列に接続され、スイッチング素子Ｓ５の他方の端子とスイッチング素子Ｓ６の他方の端子は直列に接続される。また、二次電池Ｖｂの正極側に、リアクトルＬ４、リレーＲｅ８及びスイッチＳ７を介してキャパシタＣ１の正極側端子がスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６と並列に接続され、キャパシタＣ１の負極側端子は抵抗Ｒ１を介して二次電池Ｖｂの負極側に接続される。スイッチング素子Ｓ７と二次電池Ｖｂの負極の間にスイッチング素子Ｓ８が接続される。
【００４０】
また、二次電池Ｖｂの正極側と、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４の接続節点との間に、リレーＲｅ１及びリアクトルＬ１が直列に接続される。また、これと並列して、二次電池Ｖｂの正極側と、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２の接続節点との間に、リレーＲｅ２及びリアクトルＬ２が直列に接続される。さらに、これと並列して、二次電池Ｖｂの正極側と、スイッチング素子Ｓ５とスイッチング素子Ｓ６の接続節点との間に、リレーＲｅ３及びリアクトルＬ３が直列に接続される。家庭用電源（３相ＡＣ２００Ｖ）と接続するコンセント（電源プラグ）１０は、リレーＲｅ１とリアクトルＬ１との間、リレーＲｅ２とリアクトルＬ２との間、及びリレーＲｅ３とリアクトルＬ３との間に接続される。
【００４１】
また、キャパシタＣ１の正極側端子は、互いに並列接続されたリレーＲｅ４、リレーＲｅ５、抵抗Ｒ２を介してキャパシタＣ２の正極側端子に接続される。キャパシタＣ２の負極側端子は、互いに並列接続された抵抗Ｒ１、リレーＲｅ６を介するとともに、リレーＲｅ７を介してキャパシタＣ２の負極側端子に接続される。キャパシタＣ２はインバータ１２に接続される。
【００４２】
図９の回路構成との比較では、電源が３相であることに対応して昇圧コンバータが３相となっており、及び図５における符号Ｂで示す回路が新たに付加されている。すなわち、回路ＢはリアクトルＬ４、リレーＲｅ８及びスイッチング素子Ｓ７，Ｓ８から構成され、リレーＲｅ８とリアクトルＬ４は互いに直列接続されてリアクトルＬ４の一端が二次電池Ｖｂの正極に接続される。リレーＲｅ８の一端はリアクトルＬ４の他端に接続され、リレーＲｅ８の他端はスイッチング素子Ｓ７とスイッチング素子Ｓ８の接続節点に接続される。
【００４３】
このような構成において、充電モードで機能させる場合には、リレーＲｅ１，Ｒｅ２，Ｒｅ３，Ｒｅ４，Ｒｅ５，Ｒｅ７をオフにするととともに、リレーＲｅ６，Ｒｅ８をオンする。そして、スイッチング素子Ｓ７及びスイッチング素子Ｓ８をオン、オフすることによってリアクトルＬ４を降圧用リアクトルとして機能させるとともに二次電池Ｖｂの寿命を劣化させる電流リップルを抑制して、キャパシタＣ１の蓄積電荷を放電させて二次電池Ｖｂを充電する。
【００４４】
図５の構成においても、リアクトルＬ１〜Ｌ４として、それぞれ別個のリアクトルを用いるのではなく、補助コイルを巻いた３相結合磁気リアクトルを用いる。
【００４５】
図６Ａ〜図６Ｃに、図５におけるリアクトルＬ１〜Ｌ４の構成を示す。図６Ａ、図６Ｂは基本となる３相磁気結合リアクトルの構造である。図６Ａに示すように、互いに対向する２つのコア片からコア構造５２が構成され、コア構造５２の第１脚部５２ａ〜第５脚部５２ｅが形成される。図６Ｂに示すようにコア構造５２の３つの脚部である第１脚部５２ａ、第３脚部５２ｂ、第５脚部５２ｃにリアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３を形成することで、リアクトルＬ１によって生じる独立した磁束１０１と、リアクトルＬ２によって生じる独立した磁束１０２と、リアクトルＬ３によって生じた磁束１０３と、３つのリアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３が干渉して生じる干渉磁束１１２が存在し、磁気的に結合している。
【００４６】
このような構成に加え、本実施形態では、さらに図６Ｃに示すように補助コイルとしてのリアクトルＬ４を３相磁気結合リアクトルの残りの脚部である第２脚部５２ｄ、第４脚部５２ｅに形成する。リアクトルＬ４は、リアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３の３相磁気結合リアクトルと別個に設けるのではなく、このように３相磁気結合リアクトルの脚部に形成することで、低コスト化を図ることができる。
【００４７】
なお、図６ＣではリアクトルＬ４をコア構造５２の２つの脚部である第２脚部５２ｄ、第４脚部５２ｅにそれぞれ形成して合計２個形成しているが、１つのリアクトルＬ４のみを１つの脚部、例えば第２脚部５２ｄに形成してもよい。また、図６Ｃの構成において、２つのリアクトルＬ４を並列接続する他に直列接続してもよい。
【００４８】
また、この３相磁気結合型リアクトルにおいても、２相磁気結合型リアクトルと同様に、降圧リアクトルＬ４をトランスとして機能させることも可能である。例えば、第２脚部５２ｄ、第４脚部５２ｅにリアクトルＬ４−１，Ｌ４−２を形成し、かつ、このリアクトルＬ４−１，Ｌ４−２を図７に示すように互いに対向した２つの補助コイルの形に形成して昇圧コイルと交わらない磁路を形成することによりトランスとして機能させることができる。
【００４９】
このように、本実施形態では、外部電源が単相の場合には、リアクトルＬ１，Ｌ２の２相磁気結合リアクトルの未だリアクトルが形成されていない残存脚部、すなわち未だリアクトルが形成されていない磁路部分に第３のリアクトルを形成することで実質的に２相の磁気結合型を維持し、また、外部電源が３相の場合には、リアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３の３相の磁気結合リアクトルの未だリアクトルが形成されていない残存脚部、すなわち未だリアクトルが形成されていない磁路部分に第４のリアクトルＬ４を形成することで実質的に３相の磁気結合型を維持することで、低コスト化及びサイズの縮小化を図ることができる。本実施形態では、例えば図４Ｃの構成において、昇圧電流はリアクトルＬ１，Ｌ２の１リアクトルあたり５０Ａ程度以上（二次電池Ｖｂの電力を２００Ｖ、２０ｋＷの場合）であるのに対し、補助コイルとしてのリアクトルＬ３は３０Ａ程度（最大充電電力６ｋＷ、２００Ｖの場合）と補助コイル側の方が小さいため、リアクトル容量の増加を最小限に抑えて補助コイルを設けることができる。
【００５０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
【００５１】
例えば、本実施形態において２相磁気結合リアクトルの脚部に形成された補助コイルとしてのリアクトルＬ３は、他の用途にも使用することができる。すなわち、リアクトルＬ３は、図１における充電モード時における降圧コンバータとして機能させるだけでなく、ハイブリッド自動車において例えば２００Ｖから１２Ｖを形成する降圧コンバータの出力段の平滑リアクトルとして機能させることもできる。あるいは、他の電圧変換コンバータの変圧リアクトルとして機能させることもでき、一例として電池以外の蓄電キャパシタと電池との電圧変換用コンバータのリアクトルとして機能させる等である。あるいは、車載補機用に電圧変換する回路の変圧リアクトルとして機能させることもできる。あるいは、車載補機用に電圧変換する回路のトランスとして機能させることも可能である。図８に、補助コイルとしてのリアクトルＬ３をトランスとして機能させる場合の２相磁気結合リアクトルの構成を示す。コア構造５０の脚部５０ｃをＵ字構造とし、Ｕ字脚部の一方にリアクトルＬ３−１を形成するとともに、これに対向する他方のＵ字脚部５０ｃにリアクトルＬ３−２を形成する。リアクトルＬ３−１とリアクトルＬ３−２で形成する磁路は昇圧コイルと交わらないため、リアクトルＬ３−１とリアクトルＬ３−２でトランスを構成し、車載補機用に電圧変換できる。この場合においても、容積の増大はリアクトルＬ３−１，Ｌ３−２分だけであり、容積増大を最小限に抑制できる。なお、車載補機には、車載ＥＣＵ、ヘッドライト、ルームランプ、パワーウインドウ、ホーン、ウインカ、ラジエータファン、電動ウォーターポンプ、バッテリ冷却ファン等が含まれる。
【符号の説明】
【００５２】
１０ コンセント、１２ インバータ、Ｌ１〜Ｌ４ リアクトル、Ｃ１，Ｃ２ キャパシタ、Ｒｅ１〜Ｒｅ８ リレー。
【技術分野】
【０００１】
本発明は車両用マルチフェーズコンバータに関し、特に外部電源による充電が可能なリレー切り替え型のマルチフェーズコンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車等において、電源電圧とインバータの駆動電圧の最適化を測るために、電源電圧を昇圧してインバータに供給する昇圧コンバータが用いられている。一方、自動車の仕様によっては充電装置が必要となり、例えばプラグインハイブリッド自動車では家庭用電源からの電力で車載二次電池を充電するための充電器が必要となる。昇圧コンバータとしての機能と、外部電源からの電力で車載二次電池を充電するための充電機能は、リレーを用いて適宜切り替えることが可能である。
【０００３】
図９に、昇圧コンバータとしての機能と、充電機能とを切り替えることが可能な車両用マルチフェーズコンバータの一例を示す。リレー切り替え型２相昇圧コンバータである。
【０００４】
二次電池Ｖｂの正極側に、リレーＲｅ３を介してスイッチング素子Ｓ１の正極側端子及びスイッチング素子Ｓ３の正極側の端子が並列に接続され、二次電池Ｖｂの負極側に、スイッチング素子Ｓ２の負極側の端子及びスイッチング素子Ｓ４の負極側の端子が並列に接続される。スイッチング素子Ｓ１の他方の端子とスイッチング素子Ｓ２の他方の端子は直列に接続され、スイッチング素子Ｓ３の他方の端子とスイッチング素子Ｓ４の他方の端子は直列に接続される。また、二次電池Ｖｂの正極側に、リレーＲｅ３を介してキャパシタＣ１の正極側端子がスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４と並列に接続され、キャパシタＣ１の負極側端子は抵抗Ｒ１を介して二次電池Ｖｂの負極側に接続される。
【０００５】
また、二次電池Ｖｂの正極側と、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４の接続節点との間に、リレーＲｅ１及びリアクトルＬ１が直列に接続される。また、これと並列して、二次電池Ｖｂの正極側と、スイッチング素子Ｓ２とスイッチング素子Ｓ２の接続節点との間に、リレーＲｅ２及びリアクトルＬ２が直列に接続される。家庭用電源（ＡＣ１００Ｖ）と接続するコンセント（電源プラグ）１０は、リレーＲｅ１とリアクトルＬ１との間、及びリレーＲｅ２とリアクトルＬ２との間に接続される。
【０００６】
さらに、キャパシタＣ１の正極側端子は、互いに並列接続されたリレーＲｅ４、リレーＲｅ５、抵抗Ｒ２を介してキャパシタＣ２の正極側端子に接続される。キャパシタＣ２の負極側端子は、互いに並列接続された抵抗Ｒ１、リレーＲｅ６を介するとともに、リレーＲｅ７を介してキャパシタＣ２の負極側端子に接続される。キャパシタＣ２はインバータ１２に接続される。
【０００７】
ここで、抵抗Ｒ１，Ｒ２は、それぞれキャパシタＣ１，Ｃ２を充電するための抵抗であり、キャパシタ電圧をバランスさせてからメインリレーをオンするためのものである。キャパシタＣ２は、いわゆる平滑用キャパシタであり、リレーＲｅ４，Ｒｅ５，Ｒｅ７はシステムメインリレーである。単なる昇圧コンバータと比べて、リレーＲｅ１，Ｒｅ２，Ｒｅ３，Ｒｅ６，抵抗Ｒ１，キャパシタＣ１が付加された構成である。
【０００８】
このような構成において、昇圧コンバータとして機能させる場合には、リレーＲｅ３をオフとし、リレーＲｅ１，Ｒｅ２，Ｒｅ４，Ｒｅ５，Ｒｅ６，Ｒｅ７をオンする。そして、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４をオン、オフ制御することでリアクトルＬ１，Ｌ２に誘導起電力を生じさせ、二次電池Ｖｂの端子電圧以上に昇圧してキャパシタＣ１を充電してインバータ１２に昇圧後の電圧を印加する。
【０００９】
一方、充電モードで機能させる場合には、リレーＲｅ１，Ｒｅ２，Ｒｅ４，Ｒｅ５，Ｒｅ７をオフとし、リレーＲｅ３，Ｒｅ６をオンにする。すると、図１０に示す回路構成となり、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４をオン、オフ制御することでインバータとして動作させ、コンセント１０からの交流電力を直流電力に変換してキャパシタＣ１を充電し、さらにキャパシタ１８の放電により二次電池Ｖｂを充電する。
【００１０】
なお、図９に示す昇圧コンバータは２相昇圧コンバータであるが、マルチフェーズコンバータにすれば小型化が可能であることが知られている。例えば、下記の非特許文献１には、昇圧チョッパの容量を１／ＮにしてＮ個を並列に接続し、駆動パルスの位相を２π／Ｎずつずらした構成をＮ相のマルチフェーズコンバータと称している。
【００１１】
また、非特許文献２，３には、２相磁気結合リアクトルの構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平８−３０８２５５号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】”Automotive Powertrain DC/DC Converter with 25kW/dm3 by using SIC Diodes “, B. Eckardt, A. Hofmann, S. Zeltner, M. Maerz, CIPS2006
【非特許文献２】” Performance Improvements of Interleaving VRMS with coupling inductors”, Pit-Leong Wong et al, IEEE Trns. On Power Electronics Vol.16, No.4, 2001
【非特許文献３】” Investing Coupling Inductors in the Interleaving QSW VRM” Pit-Leong Wong, Q. Wu, Peng Xu, Proceedings APEC 2000
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、単にマルチフェーズ化（多相化）することは、その分だけリアクトルの数が増え、コストが増加する問題がある。図９の構成では、Ｌ１，Ｌ２の２つのリアクトルが必要となりコストが高くなることに加え、電池電流が制御できない問題もある。なお、電池への充電電流の制御のために、２相ではなく３相構成とし、３相目で電池電流の制御を行うことも考えられるが、その分だけさらにリアクトルの数が増大してしまう問題がある。
【００１５】
本発明の目的は、車両用マルチフェーズ昇圧コンバータにおいて、昇圧動作及び充電動作を切換えることができるともに、リアクトルの数を実質的に削減して低コスト化を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、相互に切換え可能な昇圧モードと充電モードとを備え、前記昇圧モードにおいて二次電池の電圧を昇圧リアクトルにより昇圧し、前記充電モードにおいて外部電源からの交流電力を整流するとともに降圧リアクトルにより降圧して前記二次電池を充電する、車両用マルチフェーズ昇圧コンバータであって、前記外部電源は単相電源であり、前記昇圧リアクトルは、コア構造に２つのリアクトルが形成されることで２相磁気結合リアクトルを構成するとともに、前記降圧リアクトルは、前記コア構造のうち前記昇圧リアクトルが形成されていない磁路部分に形成されることで、同一コア構造に前記昇圧リアクトル及び前記降圧リアクトルがともに形成されることを特徴とする。
【００１７】
本発明の１つの実施形態では、前記コア構造は、所定間隔だけ離間した位置に順次形成された第１、第２および第３凸状脚部を備えたコア片を互いに対向配置させて構成され、前記昇圧リアクトルは、前記第１及び第３凸状脚部に形成され、前記降圧リアクトルは、前記第２凸状脚部に形成される。
【００１８】
また、本発明の他の実施形態では、前記降圧リアクトルは、前記コア片の対のそれぞれの前記第２凸状脚部に独立に形成された第１降圧リアクトル及び第２降圧リアクトルから構成され、前記第１降圧リアクトル及び前記第２降圧リアクトルが電圧変換用トランスとして機能する。
【００１９】
また、本発明は、相互に切換え可能な昇圧モードと充電モードとを備え、前記昇圧モードにおいて二次電池の電圧を昇圧リアクトルにより昇圧し、前記充電モードにおいて外部電源からの交流電力を整流するとともに降圧リアクトルにより降圧して前記二次電池を充電する、車両用マルチフェーズ昇圧コンバータであって、前記外部電源は３相電源であり、前記昇圧リアクトルは、コア構造に３つのリアクトルが形成されることで３相磁気結合リアクトルを構成するとともに、前記降圧リアクトルは、前記コア構造のうち前記昇圧リアクトルが形成されていない磁路部分に形成されることで、同一コア構造に前記昇圧リアクトル及び前記降圧リアクトルがともに形成されることを特徴とする。
【００２０】
本発明の１つの実施形態では、前記コア構造は、所定間隔だけ離間した位置に順次形成された第１、第２、第３、第４および第５凸状脚部を備えたコア片を互いに対向配置させて構成され、前記昇圧リアクトルは、前記第１、第３及び第５凸状脚部に形成され、前記降圧リアクトルは、前記第２あるいは第４凸状脚部の少なくともいずれかに形成される。
【００２１】
また、本発明の他の実施形態では、前記降圧リアクトルは、前記コア片の対のそれぞれの前記第２及び第４凸状脚部に独立に形成された第１降圧リアクトル及び第２降圧リアクトルから構成され、前記第１降圧リアクトル及び前記第２降圧リアクトルが電圧変換用トランスとして機能する。
【００２２】
また、本発明の他の実施形態では、前記降圧リアクトルは、前記第２及び第４凸状脚部に形成され、互いに直列あるいは並列接続される。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、車両用マルチフェーズ昇圧コンバータにおいて、昇圧動作及び充電動作を切換えるとともに、リアクトルの数を実質的に削減して低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態における車両用マルチフェーズ昇圧コンバータの回路構成図である。
【図２】実施形態における３相昇圧コンバータの基本回路構成図である。
【図３】図２の回路構成における充電モード時の等価回路構成図である。
【図４Ａ】２相磁気結合リアクトルのコア構造説明図である。
【図４Ｂ】２相磁気結合リアクトルの説明図である。
【図４Ｃ】実施形態の補助コイルを形成した２相磁気結合リアクトルの説明図である。
【図５】他の実施形態における車両用マルチフェーズ昇圧コンバータの回路構成図である。
【図６Ａ】３相磁気結合リアクトルのコア構造説明図である。
【図６Ｂ】３相磁気結合リアクトルの説明図である。
【図６Ｃ】実施形態の補助コイルを形成した３相磁気結合リアクトルの説明図である。
【図７】他の実施形態における３相磁気結合リアクトルの説明図である。
【図８】他の実施形態における２相磁気結合リアクトルの説明図である。
【図９】従来回路の回路構成図である。
【図１０】図９の回路構成における充電モード時の等価回路構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００２６】
図１に、本実施形態における車両用マルチフェーズ昇圧コンバータの回路構成を示す。二次電池Ｖｂの正極側に、リアクトルＬ３、リレーＲｅ３及びスイッチＳ５を介してスイッチング素子Ｓ１の正極側端子及びスイッチング素子Ｓ３の正極側の端子が並列に接続され、二次電池Ｖｂの負極側に、スイッチング素子Ｓ２の負極側の端子及びスイッチング素子Ｓ４の負極側の端子が並列に接続される。スイッチング素子Ｓ１の他方の端子とスイッチング素子Ｓ２の他方の端子は直列に接続され、スイッチング素子Ｓ３の他方の端子とスイッチング素子Ｓ４の他方の端子は直列に接続される。また、二次電池Ｖｂの正極側に、リアクトルＬ３、リレーＲｅ３及びスイッチＳ５を介してキャパシタＣ１の正極側端子がスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４と並列に接続され、キャパシタＣ１の負極側端子は抵抗Ｒ１を介して二次電池Ｖｂの負極側に接続される。スイッチング素子Ｓ５と二次電池Ｖｂの負極の間にスイッチング素子Ｓ６が接続される。
【００２７】
また、二次電池Ｖｂの正極側と、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４の接続節点との間に、リレーＲｅ１及びリアクトルＬ１が直列に接続される。また、これと並列して、二次電池Ｖｂの正極側と、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２の接続節点との間に、リレーＲｅ２及びリアクトルＬ２が直列に接続される。家庭用電源（ＡＣ１００Ｖ）と接続するコンセント（電源プラグ）１０は、リレーＲｅ１とリアクトルＬ１との間、及びリレーＲｅ２とリアクトルＬ２との間に接続される。
【００２８】
また、キャパシタＣ１の正極側端子は、互いに並列接続されたリレーＲｅ４、リレーＲｅ５、抵抗Ｒ２を介してキャパシタＣ２の正極側端子に接続される。キャパシタＣ２の負極側端子は、互いに並列接続された抵抗Ｒ１、リレーＲｅ６を介するとともに、リレーＲｅ７を介してキャパシタＣ２の負極側端子に接続される。キャパシタＣ２はインバータ１２に接続される。
【００２９】
図９の回路構成との比較では、図１における符号Ａで示す回路が新たに付加されている。すなわち、回路ＡはリアクトルＬ３、リレーＲｅ３及びスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６から構成され、リレーＲｅ３とリアクトルＬ３は互いに直列接続されてリアクトルＬ３の一端が二次電池Ｖｂの正極に接続される。リレーＲｅ３の一端はリアクトルＬ３の他端に接続され、リレーＲｅ３の他端はスイッチング素子Ｓ５とスイッチング素子Ｓ６の接続節点に接続される。
【００３０】
このような構成において、充電モードで機能させる場合には、リレーＲｅ１，Ｒｅ２，Ｒｅ４，Ｒｅ５，Ｒｅ７をオフにするととともに、リレーＲｅ３，Ｒｅ６をオンする。そして、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４をオン、オフすることによってキャパシタＣ１に充電し、その後、スイッチング素子Ｓ５をオフしスイッチング素子Ｓ６をオンにするとリアクトルＬ３を介してスイッチング素子Ｓ６に電流が流れる。このとき、二次電池Ｖｂの電圧にリアクトルＬ３の誘導起電力を加えた電圧がキャパシタＣ１の端子間電圧より小さいときに、スイッチング素子Ｓ５をオンすることでキャパシタＣ１からリアクトルＬ３を介して二次電池Ｖｂに電流が流れ、二次電池Ｖｂが充電される。このように、リアクトルＬ３を降圧用リアクトルとして機能させるとともに二次電池Ｖｂの寿命を劣化させる電流リップルを抑制しつつ、キャパシタＣ１の蓄積電荷を放電させて二次電池Ｖｂを充電する。
【００３１】
なお、図１の構成は、図２及び図３に示す３相昇圧コンバータの構成と実質的に等価であり、３個のリアクトルＬ１〜Ｌ３が必要となる点においても同じである。図２は、３相昇圧コンバータの基本回路構成であり、図３は充電モード時における図２の等価回路図である。図２について簡単に説明すると、二次電池Ｖｂとインバータ１２との間にスイッチング素子群Ｓ１〜Ｓ６が接続され、二次電池Ｖｂの正極と、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２の接続節点間にリレーＲｅ１及びリアクトルＬ１が接続される。また、これと並列に、二次電池Ｖｂの正極と、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４の接続節点間にリレーＲｅ２及びリアクトルＬ２が接続される。また、これと並列に、二次電池Ｖｂの正極と、スイッチング素子Ｓ５とスイッチング素子Ｓ６の接続節点にリレーＲｅ３及びリアクトルＬ３が接続される。コンセント１０はフィルタを介してリレーＲｅ１とリアクトルＬ１の接続節点、及びリレーＲｅ２とリアクトルＬ２の接続節点に接続される。昇圧モードにおいては、リレーＲｅ１，Ｒｅ２，Ｒｅ３をオンするとともにスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６をオンオフ制御して二次電池Ｖｂの直流電圧を昇圧してキャパシタＣ２を充電し、インバータ１２に供給する。
【００３２】
また、充電モードにおいては、リレーＲｅ１，Ｒｅ２をオフにして図３の回路構成とし、外部電源からの交流電力を整流するとともに、リアクトルＬ３を降圧用リアクトルとして用いて充電電流を制御する。具体的には、外部電源の電圧が単相のＶｓｉｎωｔであるとすると（Ｖは電圧振幅、ωは角周波数、ｔは時間）、外部電源を基準としたリアクトルＬ１の端子間電圧、及びスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の接続節点側を基準としたリアクトルＬ２の端子間電圧が１／２Ｂｃｏｓ（ωｔ）となるように（Ｂは電圧振幅）、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４をオンオフする。リアクトルＬ１，Ｌ２の誘導起電力により、外部電源の電極間の電圧振幅よりも大きい電圧がキャパシタＣ２に印加される。そして、スイッチング素子Ｓ５をオフしスイッチング素子Ｓ６をオンとすると、リアクトルＬ３を介して二次電池Ｖｂの正極からスイッチング素子Ｓ６に電流が流れる。この状態においてスイッチング素子Ｓ６をオフにすると、リアクトルＬ３に誘導起電力が生じる。このとき、二次電池Ｖｂの出力電圧にリアクトルＬ３の誘導起電力を加えた電圧がキャパシタＣ２の端子電圧より小さい場合に、スイッチング素子Ｓ５をオンすることでキャパシタＣ２からリアクトルＬ３を介してキャパシタＣ１及び二次電池Ｖｂに電流が流れ、二次電池Ｖｂが充電される。
【００３３】
このように、図１の回路におけるリアクトルＬ３は図３の回路におけるリアクトルＬ３と同様に充電モードにおける降圧リアクトルとして機能するが、本実施形態では、図１のリアクトルＬ１〜Ｌ３として、それぞれ別個のリアクトルを用いるのではなく、補助コイルを巻いた２相結合磁気リアクトルを用いる点に特徴がある。
【００３４】
図４Ａ〜図４Ｃに、図１におけるリアクトルＬ１〜Ｌ３の構成を示す。図４Ａ、図４Ｂは基本となる２相磁気結合リアクトルの構造であり、非特許文献２，３に開示された磁気結合リアクトルである。図４Ａに示すように、断面形状がＥ字型をなすコア片、すなわち所定間隔だけ離間させて３つの凸部が形成されたコア片を、互いに凸部が対向するように配置させてコア構造５０が構成され、互いに対向するコア片の凸部を第１脚部５０ａ、第２脚部５０ｂ、第３脚部５０ｃとすると、図４Ｂに示すようにコア構造の２つの脚部である第１脚部５０ａ、第２脚部５０ｂにリアクトルＬ１，Ｌ２を形成することで、リアクトルＬ１によって生じる独立した磁束１０１と、リアクトルＬ２によって生じる独立した磁束１０２と、２つのリアクトルＬ１，Ｌ２が干渉して生じる干渉磁束１１０が存在し、磁気的に結合している。
【００３５】
このような構成に加え、本実施形態では、さらに図４Ｃに示すように補助コイルとしてのリアクトルＬ３を２相磁気結合リアクトルの残りの第３脚部５０ｃに形成する。リアクトルＬ３は、リアクトルＬ１，Ｌ２の２相磁気結合リアクトルと別個に設けるのではなく、このように２相磁気結合リアクトルの脚部に形成することで、低コスト化を図ることができる。
【００３６】
なお、このようにリアクトルＬ３を２相磁気結合リアクトルに形成しても図１の回路動作に影響はない。その理由は、図１に示す昇圧コンバータの昇圧モードは搭載される車両の駆動時に動作するものであり、その一方で外部電源からの充電モードは搭載される車両の停止時に動作するものである。そして、充電モードにおいて充電している際の電力は昇圧電力の１／２以下で済むため、充電時にリアクトルＬ１，Ｌ２とリアクトルＬ３とを同時に動作させても問題は生じない。
【００３７】
このように、２相磁気結合リアクトルにリアクトルＬ３を付加する構成とすることで、１つの部品で３つのリアクトルを形成することが可能となり、低コスト化が図られるとともにサイズの縮小も図られる。２相磁気結合リアクトル自体の体積増加分は、単にリアクトルＬ３の増加分だけで済むからである。
【００３８】
図５に、他の実施形態における車両用マルチフェーズ昇圧コンバータの回路構成を示す。図１では、家庭用電源は単相のＡＣ１００Ｖであるが、図５では外部電源は３相（３Φ）のＡＣ２００Ｖの場合である。
【００３９】
二次電池Ｖｂの正極側に、リアクトルＬ４，リレーＲｅ８及びスイッチＳ７を介してスイッチング素子Ｓ１の正極側端子、スイッチング素子Ｓ３の正極側端子及びスイッチング素子Ｓ５の正極側の端子が並列に接続され、二次電池Ｖｂの負極側に、スイッチング素子Ｓ２の負極側の端子、スイッチング素子Ｓ４の負極側端子及びスイッチング素子Ｓ６の負極側の端子が並列に接続される。スイッチング素子Ｓ１の他方の端子とスイッチング素子Ｓ２の他方の端子は直列に接続され、スイッチング素子Ｓ３の他方の端子とスイッチング素子Ｓ４の他方の端子は直列に接続され、スイッチング素子Ｓ５の他方の端子とスイッチング素子Ｓ６の他方の端子は直列に接続される。また、二次電池Ｖｂの正極側に、リアクトルＬ４、リレーＲｅ８及びスイッチＳ７を介してキャパシタＣ１の正極側端子がスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６と並列に接続され、キャパシタＣ１の負極側端子は抵抗Ｒ１を介して二次電池Ｖｂの負極側に接続される。スイッチング素子Ｓ７と二次電池Ｖｂの負極の間にスイッチング素子Ｓ８が接続される。
【００４０】
また、二次電池Ｖｂの正極側と、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４の接続節点との間に、リレーＲｅ１及びリアクトルＬ１が直列に接続される。また、これと並列して、二次電池Ｖｂの正極側と、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２の接続節点との間に、リレーＲｅ２及びリアクトルＬ２が直列に接続される。さらに、これと並列して、二次電池Ｖｂの正極側と、スイッチング素子Ｓ５とスイッチング素子Ｓ６の接続節点との間に、リレーＲｅ３及びリアクトルＬ３が直列に接続される。家庭用電源（３相ＡＣ２００Ｖ）と接続するコンセント（電源プラグ）１０は、リレーＲｅ１とリアクトルＬ１との間、リレーＲｅ２とリアクトルＬ２との間、及びリレーＲｅ３とリアクトルＬ３との間に接続される。
【００４１】
また、キャパシタＣ１の正極側端子は、互いに並列接続されたリレーＲｅ４、リレーＲｅ５、抵抗Ｒ２を介してキャパシタＣ２の正極側端子に接続される。キャパシタＣ２の負極側端子は、互いに並列接続された抵抗Ｒ１、リレーＲｅ６を介するとともに、リレーＲｅ７を介してキャパシタＣ２の負極側端子に接続される。キャパシタＣ２はインバータ１２に接続される。
【００４２】
図９の回路構成との比較では、電源が３相であることに対応して昇圧コンバータが３相となっており、及び図５における符号Ｂで示す回路が新たに付加されている。すなわち、回路ＢはリアクトルＬ４、リレーＲｅ８及びスイッチング素子Ｓ７，Ｓ８から構成され、リレーＲｅ８とリアクトルＬ４は互いに直列接続されてリアクトルＬ４の一端が二次電池Ｖｂの正極に接続される。リレーＲｅ８の一端はリアクトルＬ４の他端に接続され、リレーＲｅ８の他端はスイッチング素子Ｓ７とスイッチング素子Ｓ８の接続節点に接続される。
【００４３】
このような構成において、充電モードで機能させる場合には、リレーＲｅ１，Ｒｅ２，Ｒｅ３，Ｒｅ４，Ｒｅ５，Ｒｅ７をオフにするととともに、リレーＲｅ６，Ｒｅ８をオンする。そして、スイッチング素子Ｓ７及びスイッチング素子Ｓ８をオン、オフすることによってリアクトルＬ４を降圧用リアクトルとして機能させるとともに二次電池Ｖｂの寿命を劣化させる電流リップルを抑制して、キャパシタＣ１の蓄積電荷を放電させて二次電池Ｖｂを充電する。
【００４４】
図５の構成においても、リアクトルＬ１〜Ｌ４として、それぞれ別個のリアクトルを用いるのではなく、補助コイルを巻いた３相結合磁気リアクトルを用いる。
【００４５】
図６Ａ〜図６Ｃに、図５におけるリアクトルＬ１〜Ｌ４の構成を示す。図６Ａ、図６Ｂは基本となる３相磁気結合リアクトルの構造である。図６Ａに示すように、互いに対向する２つのコア片からコア構造５２が構成され、コア構造５２の第１脚部５２ａ〜第５脚部５２ｅが形成される。図６Ｂに示すようにコア構造５２の３つの脚部である第１脚部５２ａ、第３脚部５２ｂ、第５脚部５２ｃにリアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３を形成することで、リアクトルＬ１によって生じる独立した磁束１０１と、リアクトルＬ２によって生じる独立した磁束１０２と、リアクトルＬ３によって生じた磁束１０３と、３つのリアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３が干渉して生じる干渉磁束１１２が存在し、磁気的に結合している。
【００４６】
このような構成に加え、本実施形態では、さらに図６Ｃに示すように補助コイルとしてのリアクトルＬ４を３相磁気結合リアクトルの残りの脚部である第２脚部５２ｄ、第４脚部５２ｅに形成する。リアクトルＬ４は、リアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３の３相磁気結合リアクトルと別個に設けるのではなく、このように３相磁気結合リアクトルの脚部に形成することで、低コスト化を図ることができる。
【００４７】
なお、図６ＣではリアクトルＬ４をコア構造５２の２つの脚部である第２脚部５２ｄ、第４脚部５２ｅにそれぞれ形成して合計２個形成しているが、１つのリアクトルＬ４のみを１つの脚部、例えば第２脚部５２ｄに形成してもよい。また、図６Ｃの構成において、２つのリアクトルＬ４を並列接続する他に直列接続してもよい。
【００４８】
また、この３相磁気結合型リアクトルにおいても、２相磁気結合型リアクトルと同様に、降圧リアクトルＬ４をトランスとして機能させることも可能である。例えば、第２脚部５２ｄ、第４脚部５２ｅにリアクトルＬ４−１，Ｌ４−２を形成し、かつ、このリアクトルＬ４−１，Ｌ４−２を図７に示すように互いに対向した２つの補助コイルの形に形成して昇圧コイルと交わらない磁路を形成することによりトランスとして機能させることができる。
【００４９】
このように、本実施形態では、外部電源が単相の場合には、リアクトルＬ１，Ｌ２の２相磁気結合リアクトルの未だリアクトルが形成されていない残存脚部、すなわち未だリアクトルが形成されていない磁路部分に第３のリアクトルを形成することで実質的に２相の磁気結合型を維持し、また、外部電源が３相の場合には、リアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３の３相の磁気結合リアクトルの未だリアクトルが形成されていない残存脚部、すなわち未だリアクトルが形成されていない磁路部分に第４のリアクトルＬ４を形成することで実質的に３相の磁気結合型を維持することで、低コスト化及びサイズの縮小化を図ることができる。本実施形態では、例えば図４Ｃの構成において、昇圧電流はリアクトルＬ１，Ｌ２の１リアクトルあたり５０Ａ程度以上（二次電池Ｖｂの電力を２００Ｖ、２０ｋＷの場合）であるのに対し、補助コイルとしてのリアクトルＬ３は３０Ａ程度（最大充電電力６ｋＷ、２００Ｖの場合）と補助コイル側の方が小さいため、リアクトル容量の増加を最小限に抑えて補助コイルを設けることができる。
【００５０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
【００５１】
例えば、本実施形態において２相磁気結合リアクトルの脚部に形成された補助コイルとしてのリアクトルＬ３は、他の用途にも使用することができる。すなわち、リアクトルＬ３は、図１における充電モード時における降圧コンバータとして機能させるだけでなく、ハイブリッド自動車において例えば２００Ｖから１２Ｖを形成する降圧コンバータの出力段の平滑リアクトルとして機能させることもできる。あるいは、他の電圧変換コンバータの変圧リアクトルとして機能させることもでき、一例として電池以外の蓄電キャパシタと電池との電圧変換用コンバータのリアクトルとして機能させる等である。あるいは、車載補機用に電圧変換する回路の変圧リアクトルとして機能させることもできる。あるいは、車載補機用に電圧変換する回路のトランスとして機能させることも可能である。図８に、補助コイルとしてのリアクトルＬ３をトランスとして機能させる場合の２相磁気結合リアクトルの構成を示す。コア構造５０の脚部５０ｃをＵ字構造とし、Ｕ字脚部の一方にリアクトルＬ３−１を形成するとともに、これに対向する他方のＵ字脚部５０ｃにリアクトルＬ３−２を形成する。リアクトルＬ３−１とリアクトルＬ３−２で形成する磁路は昇圧コイルと交わらないため、リアクトルＬ３−１とリアクトルＬ３−２でトランスを構成し、車載補機用に電圧変換できる。この場合においても、容積の増大はリアクトルＬ３−１，Ｌ３−２分だけであり、容積増大を最小限に抑制できる。なお、車載補機には、車載ＥＣＵ、ヘッドライト、ルームランプ、パワーウインドウ、ホーン、ウインカ、ラジエータファン、電動ウォーターポンプ、バッテリ冷却ファン等が含まれる。
【符号の説明】
【００５２】
１０ コンセント、１２ インバータ、Ｌ１〜Ｌ４ リアクトル、Ｃ１，Ｃ２ キャパシタ、Ｒｅ１〜Ｒｅ８ リレー。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に切換え可能な昇圧モードと充電モードとを備え、前記昇圧モードにおいて二次電池の電圧を昇圧リアクトルにより昇圧し、前記充電モードにおいて外部電源からの交流電力を整流するとともに降圧リアクトルにより降圧して前記二次電池を充電する、車両用マルチフェーズ昇圧コンバータであって、
前記外部電源は単相電源であり、
前記昇圧リアクトルは、コア構造に２つのリアクトルが形成されることで２相磁気結合リアクトルを構成するとともに、前記降圧リアクトルは、前記コア構造のうち前記昇圧リアクトルが形成されていない磁路部分に形成されることで、同一コア構造に前記昇圧リアクトル及び前記降圧リアクトルがともに形成されることを特徴とする車両用マルチフェーズ昇圧コンバータ。
【請求項２】
請求項１記載の車両用マルチフェーズ昇圧コンバータにおいて、
前記コア構造は、所定間隔だけ離間した位置に順次形成された第１、第２および第３凸状脚部を備えたコア片を互いに対向配置させて構成され、
前記昇圧リアクトルは、前記第１及び第３凸状脚部に形成され、前記降圧リアクトルは、前記第２凸状脚部に形成される
ことを特徴とする車両用マルチフェーズ昇圧コンバータ。
【請求項３】
請求項２記載の車両用マルチフェーズ昇圧コンバータにおいて、
前記降圧リアクトルは、前記コア片の対のそれぞれの前記第２凸状脚部に独立に形成された第１降圧リアクトル及び第２降圧リアクトルから構成され、前記第１降圧リアクトル及び前記第２降圧リアクトルが電圧変換用トランスとして機能することを特徴とする車両用マルチフェーズ昇圧コンバータ。
【請求項４】
相互に切換え可能な昇圧モードと充電モードとを備え、前記昇圧モードにおいて二次電池の電圧を昇圧リアクトルにより昇圧し、前記充電モードにおいて外部電源からの交流電力を整流するとともに降圧リアクトルにより降圧して前記二次電池を充電する、車両用マルチフェーズ昇圧コンバータであって、
前記外部電源は３相電源であり、
前記昇圧リアクトルは、コア構造に３つのリアクトルが形成されることで３相磁気結合リアクトルを構成するとともに、前記降圧リアクトルは、前記コア構造のうち前記昇圧リアクトルが形成されていない磁路部分に形成されることで、同一コア構造に前記昇圧リアクトル及び前記降圧リアクトルがともに形成されることを特徴とする車両用マルチフェーズ昇圧コンバータ。
【請求項５】
請求項４記載の車両用マルチフェーズ昇圧コンバータにおいて、
前記コア構造は、所定間隔だけ離間した位置に順次形成された第１、第２、第３、第４および第５凸状脚部を備えたコア片を互いに対向配置させて構成され、
前記昇圧リアクトルは、前記第１、第３及び第５凸状脚部に形成され、前記降圧リアクトルは、前記第２あるいは第４凸状脚部の少なくともいずれかに形成される
ことを特徴とする車両用マルチフェーズ昇圧コンバータ。
【請求項６】
請求項５記載の車両用マルチフェーズ昇圧コンバータにおいて、
前記降圧リアクトルは、前記コア片の対のそれぞれの前記第２及び第４凸状脚部に独立に形成された第１降圧リアクトル及び第２降圧リアクトルから構成され、前記第１降圧リアクトル及び前記第２降圧リアクトルが電圧変換用トランスとして機能することを特徴とする車両用マルチフェーズ昇圧コンバータ。
【請求項７】
請求項５記載の車両用マルチフェーズ昇圧コンバータにおいて、
前記降圧リアクトルは、前記第２及び第４凸状脚部に形成され、互いに直列接続されることを特徴とする車両用マルチフェーズ昇圧コンバータ。
【請求項８】
前記降圧リアクトルは、前記第２及び第４凸状脚部に形成され、互いに並列接続されることを特徴とする車両用マルチフェーズ昇圧コンバータ。
【請求項１】
相互に切換え可能な昇圧モードと充電モードとを備え、前記昇圧モードにおいて二次電池の電圧を昇圧リアクトルにより昇圧し、前記充電モードにおいて外部電源からの交流電力を整流するとともに降圧リアクトルにより降圧して前記二次電池を充電する、車両用マルチフェーズ昇圧コンバータであって、
前記外部電源は単相電源であり、
前記昇圧リアクトルは、コア構造に２つのリアクトルが形成されることで２相磁気結合リアクトルを構成するとともに、前記降圧リアクトルは、前記コア構造のうち前記昇圧リアクトルが形成されていない磁路部分に形成されることで、同一コア構造に前記昇圧リアクトル及び前記降圧リアクトルがともに形成されることを特徴とする車両用マルチフェーズ昇圧コンバータ。
【請求項２】
請求項１記載の車両用マルチフェーズ昇圧コンバータにおいて、
前記コア構造は、所定間隔だけ離間した位置に順次形成された第１、第２および第３凸状脚部を備えたコア片を互いに対向配置させて構成され、
前記昇圧リアクトルは、前記第１及び第３凸状脚部に形成され、前記降圧リアクトルは、前記第２凸状脚部に形成される
ことを特徴とする車両用マルチフェーズ昇圧コンバータ。
【請求項３】
請求項２記載の車両用マルチフェーズ昇圧コンバータにおいて、
前記降圧リアクトルは、前記コア片の対のそれぞれの前記第２凸状脚部に独立に形成された第１降圧リアクトル及び第２降圧リアクトルから構成され、前記第１降圧リアクトル及び前記第２降圧リアクトルが電圧変換用トランスとして機能することを特徴とする車両用マルチフェーズ昇圧コンバータ。
【請求項４】
相互に切換え可能な昇圧モードと充電モードとを備え、前記昇圧モードにおいて二次電池の電圧を昇圧リアクトルにより昇圧し、前記充電モードにおいて外部電源からの交流電力を整流するとともに降圧リアクトルにより降圧して前記二次電池を充電する、車両用マルチフェーズ昇圧コンバータであって、
前記外部電源は３相電源であり、
前記昇圧リアクトルは、コア構造に３つのリアクトルが形成されることで３相磁気結合リアクトルを構成するとともに、前記降圧リアクトルは、前記コア構造のうち前記昇圧リアクトルが形成されていない磁路部分に形成されることで、同一コア構造に前記昇圧リアクトル及び前記降圧リアクトルがともに形成されることを特徴とする車両用マルチフェーズ昇圧コンバータ。
【請求項５】
請求項４記載の車両用マルチフェーズ昇圧コンバータにおいて、
前記コア構造は、所定間隔だけ離間した位置に順次形成された第１、第２、第３、第４および第５凸状脚部を備えたコア片を互いに対向配置させて構成され、
前記昇圧リアクトルは、前記第１、第３及び第５凸状脚部に形成され、前記降圧リアクトルは、前記第２あるいは第４凸状脚部の少なくともいずれかに形成される
ことを特徴とする車両用マルチフェーズ昇圧コンバータ。
【請求項６】
請求項５記載の車両用マルチフェーズ昇圧コンバータにおいて、
前記降圧リアクトルは、前記コア片の対のそれぞれの前記第２及び第４凸状脚部に独立に形成された第１降圧リアクトル及び第２降圧リアクトルから構成され、前記第１降圧リアクトル及び前記第２降圧リアクトルが電圧変換用トランスとして機能することを特徴とする車両用マルチフェーズ昇圧コンバータ。
【請求項７】
請求項５記載の車両用マルチフェーズ昇圧コンバータにおいて、
前記降圧リアクトルは、前記第２及び第４凸状脚部に形成され、互いに直列接続されることを特徴とする車両用マルチフェーズ昇圧コンバータ。
【請求項８】
前記降圧リアクトルは、前記第２及び第４凸状脚部に形成され、互いに並列接続されることを特徴とする車両用マルチフェーズ昇圧コンバータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−２０５８０６（Ｐ２０１１−２０５８０６Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７１３６０（Ｐ２０１０−７１３６０）
【出願日】平成２２年３月２６日（２０１０．３．２６）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２６日（２０１０．３．２６）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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