電圧変換装置
【課題】電圧変換装置の体格およびコストを増加させることなく、リプル電流により発生する電源の騒音を抑制する。
【解決手段】昇圧コンバータ１２は、バッテリＢから直流電圧を受け、その受けた直流電圧の電圧レベルを変換する。昇圧コンバータ１２は、直列接続されたスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、該スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２によってスイッチングされた電流が流れるリアクトルＬ１とを含んで構成される。平滑コンデンサＣ２は、バッテリＢと昇圧コンバータ１２との間で、バッテリＢと並列に接続される。リアクトルＬ２は、バッテリＢおよびリアクトルＬ１間の電流経路上であって、バッテリＢと平滑コンデンサＣ２との間に接続される。リアクトルＬ２は、リアクトルＬ１との間でコア２を共通するように配設される。
【解決手段】昇圧コンバータ１２は、バッテリＢから直流電圧を受け、その受けた直流電圧の電圧レベルを変換する。昇圧コンバータ１２は、直列接続されたスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、該スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２によってスイッチングされた電流が流れるリアクトルＬ１とを含んで構成される。平滑コンデンサＣ２は、バッテリＢと昇圧コンバータ１２との間で、バッテリＢと並列に接続される。リアクトルＬ２は、バッテリＢおよびリアクトルＬ１間の電流経路上であって、バッテリＢと平滑コンデンサＣ２との間に接続される。リアクトルＬ２は、リアクトルＬ１との間でコア２を共通するように配設される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電圧変換装置に関し、特に、電池から受けた直流電力の電圧レベルを変換する電圧変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開平１０−６６３８３号公報（特許文献１）は、永久磁石型同期モータ（ＰＭモータ）の駆動制御装置を開示する。この駆動制御装置は、電力変換器への供給に先立ちかつ指令に応じ、バッテリ電圧を昇圧する昇圧回路と、昇圧後の電圧値が、ＰＭモータの目標動作点を実現するのに必要な電力変換器の直流端子側電圧を上回るように昇圧回路に昇圧動作を実行させる手段とを備える。
【０００３】
この駆動制御装置においては、ＰＭモータの目標動作点が現在のバッテリ電圧の下での出力可能領域よりも高回転側に位置しているときに、この目標動作点が出力可能領域に含まれるように、バッテリ電圧が昇圧される。この結果、それまで弱め界磁制御によって行なわれていたＰＭモータの力行可能領域の拡張を、弱め界磁電流に起因した損失の発生やこれによるシステム効率の低下を生じることなく実現することができる。
【特許文献１】特開平１０−６６３８３号公報
【特許文献２】特開２０００−１１６１２０号公報
【特許文献３】特開２００４−１０４９７６号公報
【特許文献４】特開２００２−８４６７６号公報
【特許文献５】特開２００３−３０４６８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特開平１０−６６３８３号公報に開示された技術において、昇圧回路は、ＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）の直流端子間に順方向直列接続された２個のトランジスタと、これらのトランジスタのそれぞれに逆並列接続された２個のダイオードと、２個のトランジスタの接続点にその一端が接続され、バッテリ側に他端が接続された昇圧リアクトルとを備える構成を有している。このような構成において、２個のトランジスタは、コントローラからの昇圧回路に対する昇圧比の指令に従ってスイッチング動作が制御される。
【０００５】
ところで、特開平１０−６６３８３号公報に開示されるような昇圧回路を用いる構成においては、昇圧回路のトランジスタがスイッチング動作を行なうと、そのスイッチング周波数に依存した交流電流（以下、リプル電流とも称する）が発生する。このリプル電流は、昇圧回路に直流電力を供給するバッテリに伝搬すると、リプル電流の影響によってバッテリには膨張収縮作用が生じる。
【０００６】
詳細には、バッテリは、セパレータを介して積層された電極板を有しているため、充電時には、電極板間に生じる電界により電極板間に引力を生じる。この引力により、バッテリ全体としては、電圧印加により収縮することになる。そして、印加電圧が無くなると、バッテリは復帰（膨張）する。そのため、昇圧回路からのリプル電流をバッテリが受けると、バッテリには時間的な変位、すなわち膨張収縮作用が生じる。その結果、この膨張収縮により空気振動が生じて、騒音が発生するという問題があった。
【０００７】
それゆえ、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電圧変換装置の体格およびコストを増加させることなく、リプル電流により発生する電源の騒音を抑制可能な電圧変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明によれば、電圧変換装置は、電源から直流電圧を受け、その受けた直流電圧の電圧レベルを変換する。電圧変換装置は、スイッチング素子と該スイッチング素子によってスイッチングされた電流が流れる第１のリアクトルとを含んで構成された電圧変換器と、電源と電圧変換器との間で、電源と並列に接続された平滑コンデンサと、電源および第１のリアクトル間の電流経路上であって、電源と平滑コンデンサとの間に接続された第２のリアクトルとを備える。
【０００９】
上記の電圧変換装置によれば、電源と平滑コンデンサとの間に第２のリアクトルを配設して電源のインピーダンスを見かけ上高くすることにより、スイッチング動作に伴ない電源を流れる直流電流に重畳されるリプル電流を低減することができる。このときの第２のリアクトルは、必要なインダクタンスが、第１のリアクトルのインダクタンスと比較して低いことから、小型のコイルで構成することができる。その結果、電圧変換装置の体格およびコストを増加させることなく、電源の騒音を抑制することが可能となる。
【００１０】
好ましくは、第２のリアクトルは、第１のリアクトルのコアに対して、第１のリアクトルのコイルと共通に巻回されるコイルを含む。
【００１１】
上記の電圧変換装置によれば、第２のリアクトルを小型のコイルで構成することができるため、当該コイルを第１のリアクトルのコアに共通に巻回することが可能となる。その結果、電圧変換装置の体格およびコストが増加するのをより一層抑えることができる。
【００１２】
好ましくは、電圧変換装置は、第１および第２のリアクトルを格納するためのケースと、ケースの外壁側に配設された冷媒通路とをさらに備える。
【００１３】
上記の電圧変換装置によれば、第２のリアクトルを、第１のリアクトルの冷却系統を用いて冷却することができるため、第２のリアクトルの冷却性能を確保することができる。
【００１４】
好ましくは、電源は、リチウムイオン電池を含む二次電池からなる。
上記の電圧変換装置によれば、電源を、内部抵抗値が低いリチウムイオン電池で構成した場合であっても、見かけ上のインピーダンスを高くすることにより、騒音を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、電圧変換装置の体格およびコストを増加させることなく、電源の騒音を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。
【００１７】
図１は、この発明の実施の形態による電圧変換装置が適用されるモータ駆動装置の概略ブロック図である。
【００１８】
図１を参照して、モータ駆動装置１００は、バッテリＢと、電圧センサ１０，１３と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、リアクトルＬ２と、昇圧コンバータ１２と、インバータ１４と、電流センサ２４と、制御装置３０とを備える。
【００１９】
交流モータＭ１は、ハイブリッド自動車または電気自動車の駆動輪を駆動するためのトルクを発生するための駆動モータである。また、交流モータＭ１は、エンジンにて駆動される発電機の機能を持つように、そして、エンジンに対して電動機として動作し、たとえばエンジンを始動し得るようなモータである。
【００２０】
昇圧コンバータ１２は、リアクトルＬ１と、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子Ｑ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。
【００２１】
リアクトルＬ１の一方端はバッテリＢの電源ラインに接続され、他方端はＩＧＢＴ素子Ｑ１とＩＧＢＴ素子Ｑ２との中間点、すなわち、ＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタとＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタとの間に接続される。
【００２２】
ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２は、電源ラインとアースラインとの間に直列に接続される。ＩＧＢＴ素子Ｑ１のコレクタは電源ラインに接続され、ＩＧＢＴ素子Ｑ２のエミッタはアースラインに接続される。また、各ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ配されている。
【００２３】
インバータ１４は、Ｕ相アーム１５と、Ｖ相アーム１６と、Ｗ相アーム１７とからなる。Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６およびＷ相アーム１７は、電源ラインとアースラインとの間に並列に設けられる。
【００２４】
Ｕ相アーム１５は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４からなる。Ｖ相アーム１６は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６からなる。Ｗ相アーム１７は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８からなる。また、各ＩＧＢＴ素子Ｑ３〜Ｑ８のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。
【００２５】
各相アームの中間点は、交流モータＭ１の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、交流モータＭ１は、３相の永久磁石モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通に接続されて構成される。Ｕ相コイルの他端がＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４の中間点に、Ｖ相コイルの他端がＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６の中間点に、Ｗ相コイルの他端がＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８の中間点にそれぞれ接続されている。
【００２６】
なお、昇圧コンバータ１２およびインバータ１４にそれぞれ含まれるスイッチング素子は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１〜Ｑ８に限定されず、ＭＯＳＦＥＴ等の他のパワー素子で構成しても良い。
【００２７】
バッテリＢは、充放電可能な二次電池であり、例えば、ニッケル水素またはリチウムイオンなどからなる。なお、これらに限らず、直流電圧を生成できるもの、例えば、キャパシタ、太陽電池、燃料電池等であって、電極板に働く引力によって膨張収縮作用が生じるものであれば適用され得る。電圧センサ１０は、バッテリＢから出力される直流電圧Ｖｂを検出し、検出した直流電圧Ｖｂを制御装置３０へ出力する。
【００２８】
コンデンサＣ１は、バッテリＢから供給された直流電圧Ｖｂを平滑化し、その平滑化した直流電圧Ｖｂを昇圧コンバータ１２へ出力する。
【００２９】
昇圧コンバータ１２は、バッテリＢから供給された直流電圧Ｖｂを昇圧してコンデンサＣ２へ供給する。より具体的には、昇圧コンバータ１２は、制御装置３０から信号ＰＷＭＣを受けると、信号ＰＷＭＣによってＩＧＢＴ素子Ｑ２がオンされた期間に応じて直流電圧を昇圧してコンデンサＣ２に供給する。
【００３０】
また、昇圧コンバータ１２は、制御装置３０から信号ＰＷＭＣを受けると、コンデンサＣ２を介してインバータ１４から供給された直流電圧を降圧してバッテリＢを充電する。
【００３１】
コンデンサＣ２は、昇圧コンバータ１２からの直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ１４へ供給する。電圧センサ１３は、コンデンサＣ２の両端の電圧、すなわち、昇圧コンバータ１２の出力電圧Ｖｍ（インバータ１４への入力電圧に相当する。以下同じ。）を検出し、その検出した出力電圧Ｖｍを制御装置３０へ出力する。
【００３２】
インバータ１４は、コンデンサＣ２から直流電圧が供給されると、制御装置３０からの信号ＰＷＭＩに基づいて直流電圧を交流電圧に変換して交流モータＭ１を駆動する。これにより、交流モータＭ１は、トルク指令値ＴＲによって指定された要求トルクを発生するように駆動される。
【００３３】
また、インバータ１４は、モータ駆動装置１００が搭載されたハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時、交流モータＭ１が発電した交流電圧を制御装置３０からの信号ＰＷＭＩに基づいて直流電圧に変換し、変換した直流電圧をコンデンサＣ２を介して昇圧コンバータ１２へ供給する。
【００３４】
なお、ここで言う回生制動とは、ハイブリッド自動車または電気自動車を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合との回生発電を伴なう制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車速を減速（または加速を中止）させることを含む。
【００３５】
電流センサ２４は、交流モータＭ１に流れるモータ電流ＭＣＲＴを検出し、その検出したモータ電流ＭＣＲＴを制御装置３０へ出力する。
【００３６】
制御装置３０は、外部に設けられたＥＣＵ（Electrical Control Unit）から交流モータＭ１が要求される駆動トルクの目標値（以下、トルク指令値とも称する）ＴＲおよびモータ回転数ＭＲＮを受け、電圧センサ１３から出力電圧Ｖｍを受け、電圧センサ１０から直流電圧Ｖｂを受け、電流センサ２４からモータ電流ＭＣＲＴを受ける。そして、制御装置３０は、出力電圧Ｖｍ、トルク指令値ＴＲ、モータ電流ＭＣＲＴに基づいて、インバータ１４が交流モータＭ１を駆動するときにインバータ１４のＩＧＢＴ素子Ｑ３〜Ｑ８をスイッチング制御するための信号ＰＷＭＩを生成し、その生成した信号ＰＷＭＩをインバータ１４へ出力する。
【００３７】
また、制御装置３０は、インバータ１４が交流モータＭ１を駆動するとき、直流電圧Ｖｂ、出力電圧Ｖｍ、トルク指令値ＴＲおよびモータ回転数ＭＲＮに基づいて、昇圧コンバータ１２のＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２をスイッチング制御するための信号ＰＷＭＣを生成して昇圧コンバータ１２へ出力する。
【００３８】
信号ＰＷＭＣは、昇圧コンバータ１２がバッテリＢとインバータ１４との間で電圧変換を行なう場合に、昇圧コンバータ１２を駆動するための信号である。そして、制御装置３０は、昇圧コンバータ１２がバッテリＢからの直流電圧Ｖｂを出力電圧Ｖｍに変換する場合に、出力電圧Ｖｍｇをフィードバック制御し、出力電圧Ｖｍが電圧指令Ｖｄｃ＿ｃｏｍになるように、昇圧コンバータ１２を駆動するための信号ＰＷＭＣを生成する。
【００３９】
また、制御装置３０は、ハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時において、交流モータＭ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換するための信号ＰＷＭＩを生成してインバータ１４へ出力する。この場合、インバータ１４のＩＧＢＴ素子Ｑ３〜Ｑ８は、信号ＰＷＭＩによってスイッチング制御され、インバータ１４は、交流モータＭ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ１２へ供給する。
【００４０】
さらに、制御装置３０は、ハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時において、インバータ１４から供給された直流電圧を降圧するための信号ＰＷＭＣを生成し、その生成した信号ＰＷＭＣを昇圧コンバータ１２へ出力する。これにより、交流モータＭ１が発電した交流電圧は、直流電圧に変換され、降圧されてバッテリＢに供給される。
【００４１】
以上に述べたように、モータ駆動装置１００において、昇圧コンバータ１２は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２がスイッチング制御されることによって、直流電圧を昇圧または降圧させることができる。そして、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング制御を行なうことにより、昇圧コンバータ１２のリアクトルＬ１を流れる電流（以下、リアクトル電流とも称する）ＩＬには、リプル電流が発生する。
【００４２】
図２を参照して、図１のモータ駆動装置１００における昇圧コンバータ１２の動作とリアクトル電流ＩＬとの関係を説明する。
【００４３】
図２は、昇圧コンバータ１２に送信される信号ＰＷＭＣの推移を表わす。図２に示すように、信号ＰＷＭＣは、オン状態（ＯＮ）とオフ状態（ＯＦＦ）との間で切換わる。このときのＯＮの時間とＯＦＦの時間との和は、信号ＰＷＭＣの１周期（制御周期）に相当する。制御周期は、昇圧コンバータ１２に含まれるＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２をオン／オフするためのキャリア周波数から求めることができる。
【００４４】
そして、このような信号ＰＷＭＣが出力されているとき、リアクトル電流ＩＬには、周期的に増減するリプル電流Ｉｒｐが重畳する。リプル電流Ｉｒｐが増減する周期は、昇圧コンバータ１２の制御周期に一致している。
【００４５】
図３は、図１に示すバッテリＢ、コンデンサＣ１および昇圧コンバータ１２の回路図である。
【００４６】
図３を参照して、昇圧コンバータ１２のＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２が所定のキャリア周波数でスイッチング制御されている場合、上述したように、リアクトルＬ１には、キャリア周波数に応じたリプル電流Ｉｒｐが流れる。そして、このリプル電流Ｉｒｐは、バッテリＢに流れるリプル電流ＩｒｐｂとコンデンサＣ１に流れるリプル電流Ｉｒｐｃとの和になる。
【００４７】
Ｉｒｐ＝Ｉｒｐｂ＋Ｉｒｐｃ （１）
そして、バッテリＢに流れるリプル電流Ｉｒｐｂのピークピーク値をΔＩｒｐｂとし、かつ、コンデンサＣ１に流れるリプル電流Ｉｒｐｃのピークピーク値をΔＩｒｐｃとすると、ΔＩｒｐｂとΔＩｒｐｃとの間には、次式の関係が成立する。
【００４８】
ΔＩｒｐｂ：ΔＩｒｐｃ＝１／Ｚｂ：１／Ｚｃ （２）
ただし、ＺｂはバッテリＢのインピーダンスであり、ＺｃはコンデンサＣ１のインピーダンスである。
【００４９】
式（２）から分かるように、バッテリＢに流れるリプル電流のピークピーク値ΔＩｒｐｂは、バッテリＢのインピーダンスＺｂに反比例した大きさとなり、インピーダンスＺｂが低くなるほど大きくなる。そして、このバッテリＢに流れるリプル電流ＩｒｐｂによってバッテリＢに膨張収縮作用が生じることにより、空気振動が生じて騒音が発生する。
【００５０】
特に、バッテリＢをリチウムイオン電池で構成した場合には、その内部抵抗値が低いという特性によって大電流充放電特性が得られる反面、低インピーダンスＺｂに起因してリプル電流Ｉｒｐｂが増大し、騒音の程度が悪化するという問題があった。
【００５１】
ここで、バッテリＢに流れるリプル電流Ｉｒｐｂを低減するためには、上述した式（２）の関係から、バッテリＢに並列に接続されたコンデンサＣ１のインピーダンスＺｃを下げる手段が有効であると思われる。しかしながら、この手段は、コンデンサＣ１を容量の大きい大型の素子で構成することが必要となり、モータ駆動装置１００の体格およびコストを増大させる不具合に繋がる。
【００５２】
また、別の手段としては、昇圧コンバータ１２のリアクトルＬ１のインダクタンスを高くすることによってリアクトル電流ＩＬのリプル電流Ｉｒｐを低減することが挙げられる。しかしながら、リアクトルＬ１は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング制御に応答してバッテリＢまたはインバータ１４との間で電力を蓄積／開放することによって電圧変換動作を遂行させることから、制御応答性を担保する観点からインダクタンスの増加には限界がある。
【００５３】
そこで、この発明による電圧変換装置においては、図３に示すように、バッテリＢとコンデンサＣ１との間で、リアクトルＬ１と直列に接続されたリアクトルＬ２を設けることによって、バッテリＢのインピーダンスＺｂを見かけ上高くする構成とする。
【００５４】
このような構成とすることにより、この発明による電圧変換装置は、以下に述べるように、装置の体格およびコストを増大させることなく、バッテリＢの騒音を抑制することが可能となる。特に、本願発明を、バッテリＢがリチウムイオン電池で構成された電圧変換装置に適用した場合には、見かけ上のインピーダンスが高められることによって、効果的に騒音を抑制することができる。
【００５５】
詳細には、この発明によれば、バッテリＢは、リアクトルＬ２と直列に接続され、かつ、コンデンサＣ１と並列に接続されることになる。そのため、昇圧コンバータ１２のリアクトルＬ１から見た、バッテリＢのインピーダンスＺｂは、本来のバッテリＢのインピーダンスＺｂに対してリアクトルＬ２のインダクタンスを加算した値となる。これにより、式（２）の関係に照らして、バッテリＢに流れるリプル電流Ｉｒｐｂが低減されるため、このリプル電流ＩｒｐｂによるバッテリＢの膨張収縮作用に起因して発生する騒音を抑制することができる。
【００５６】
そして、このときのリアクトルＬ２は、昇圧コンバータ１２のリアクトルＬ１と比較して、インダクタンスが低いことから、リアクトルＬ２を、リアクトルＬ１と一体化した構造によって実現することができる。その結果、コンデンサＣ１のインピーダンスＺｃを下げるのと比較して、電圧変換装置の体格およびコストが増大するのを回避することができる。
【００５７】
より詳細には、リアクトルＬ２のインダクタンスは、バッテリＢに流れるリプル電流のピークピーク値ΔＩｒｐｂが騒音を抑制できる所定の許容電流値を超えないように設定される。具体的には、バッテリＢの膨張収縮作用により発生する騒音の程度が所定の許容レベルを超えないように、リプル電流Ｉｒｐｂのピークピーク値ΔＩｒｐｂに所定の閾値Ｉｌｉｍを設定する。そして、式（２）の左辺が、この閾値Ｉｌｉｍと、リアクトルＬ１に流れるリプル電流のピークピーク値ΔＩｒｐから閾値Ｉｌｉｍを差し引いた値との比（＝Ｉｌｉｍ：ΔＩｒｐ−Ｉｌｉｍ）に一致するように、バッテリＢのインピーダンスＺｂが決定される。そして、その決定されたインピーダンスＺｂに基づいて、リアクトルＬ２のインダクタンスが設定される。このとき設定されたリアクトルＬ２のインダクタンスは、数ｎＨ程度であり、昇圧コンバータ１２のリアクトルＬ１のインダクタンス（数百ｎＨ程度）と比較して著しく低いものとなる。そのため、図４に示すように、リアクトルＬ２を、昇圧コンバータ１２のリアクトルＬ１と一体化した構造によって実現することが可能となる。
【００５８】
図４は、図１におけるリアクトルＬ１およびＬ２の斜視図である。
図４を参照して、リアクトルＬ１は、コア２と、コア２に巻回されたコイルとを含む。コア２は、直線部２３Ａ，２３Ｂおよび湾曲部２３Ｃ，２３Ｄからなる。直線部２３Ａ，２３Ｂおよび湾曲部２３Ｃ，２３Ｄは、一部にギャップ２１，２２を形成するように環状に配置される。そして、ギャップ２１，２２は、例えば、ガラスのエポキシ材からなる。
【００５９】
コイルは、コイル３Ａ，３Ｂからなる。コイル３Ａは、コア２の一方の直線部２３Ａに銅線を巻くことにより作製され、コイル３Ｂは、コア２の他方の直線部２３Ｂに銅線を巻くことにより作製される。コイル３Ａは、配線３Ｄによりコイル３Ｂと接続される、これにより、コイル３Ａ，３Ｂは、直列に接続される。そして、例えば、端子６Ｂから端子６Ａの方向に電流が流される。
【００６０】
端子６Ａは、昇圧コンバータ１２のＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２の中間点（図３のノードＮＡに相当）に電気的に接続される。端子６Ｂは、コンデンサＣ１の一方端子（図３のノードＮＢに相当）に電気的に接続される。
【００６１】
そして、リアクトルＬ２は、リアクトルＬ１との間でコア２を共通するように配設される。すなわち、リアクトルＬ２のコイル３Ｃは、コア２の他方の直線部２３Ｂに銅線を巻くことにより作製される。コイル３Ｃは、コイル３Ｂと直列に接続される。そして、例えば、端子６ＣからリアクトルＬ１の端子６Ｂの方向に電流が流される。端子６Ｃは、バッテリＢの正極（図３のノードＮＣに相当）に電気的に接続される。
【００６２】
このように、バッテリＢとコンデンサＣ１との間に設けられるリアクトルＬ２は、昇圧コンバータ１２のリアクトルＬ１と比較してインダクタンスが著しく低いことから、リアクトルＬ１のコア２にコイル３Ｃを巻回することによって簡易に形成することができる。したがって、装置の体格およびコストを増加させることなく、バッテリＢの騒音を抑制することができる。
【００６３】
さらには、リアクトルＬ２とリアクトルＬ１との間でコア２を共有する構成としたことによって、以下に述べるように、リアクトルＬ２の冷却性能を確保することが可能となる。
【００６４】
図５は、この発明によるリアクトルＬ１，Ｌ２の冷却構造を説明するための断面図である。
【００６５】
図５を参照して、モータ駆動装置１００の構成要素を格納するためのケース３００を覆うようにアッパーカバーが設けられる。ケース３００およびアッパーカバー３０５は、溶接によって、あるいは図示しないネジ等の固定部材によって固定される。
【００６６】
ケース３００の内壁面には、リアクトルＬ１，Ｌ２を格納可能な形状で突出部３０１が設けられる。ケース３００は、内壁面に突出部３０１が一体的に成形されるように、アルミ等の金属鋳物として作製される。アッパーカバー３０５は、例えば、アルミプレスによって形成される。
【００６７】
リアクトルＬ１，Ｌ２は、ケース３００の底面の突出部３０１で囲まれた領域に据え付けられる。そして、リアクトルＬ１，Ｌ２と突出部３０１との隙間には、熱硬化性の樹脂３６０が充填されてリアクトルＬ１，Ｌ２がモールドされる。また、突出部３０１で囲まれた領域には、リアクトルＬ１，Ｌ２の端子６Ａ〜６Ｃに相当する電極を取り出すための開口部が設けられており、端子６Ａ〜６Ｃは、図３に示したノードＮＡ〜ＮＣとそれぞれ接続される。
【００６８】
ケース３００の外壁面の少なくとも一部には、冷却フィン３３０が設けられ、冷却フィン３３０および他のケース等の平坦部３５０との間には、冷却水等の冷媒が流される冷媒通路３４０が形成される。冷媒通路３４０を、リアクトルＬ１，Ｌ２が配置される領域の外壁面に設けることにより、リアクトルＬ１，Ｌ２での発熱を効率的に放熱できる。
【００６９】
さらに、樹脂３６０として熱伝導性の高い材質を用いれば、リアクトルＬ１，Ｌ２の放熱性をより高めることができる。
【００７０】
以上のように、この発明の実施の形態によれば、電圧変換装置の体格およびコストを増加させることなく、リプル電流に起因して発生する電源の振動を抑制することができる。特に、電源を、内部抵抗値が低いリチウムイオン電池で構成した場合であっても、見かけ上のインピーダンスを高くすることにより、騒音を抑制することができる。
【００７１】
なお、昇圧コンバータの回路構成は、図１に示されたものに限定されず、スイッチング素子のスイッチング動作によりリプル電流が発生するリアクトルを含む回路構成であれば、本発明の適用が可能である。また、電動車両の構成についても、車両駆動用モータを搭載し、かつ、該車両駆動用モータに上記昇圧コンバータを介して電力供給を行なう構成であれば、本発明を適用することが可能である。
【００７２】
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、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。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】この発明の実施の形態による電圧変換装置が適用されるモータ駆動装置の概略ブロック図である。
【図２】昇圧コンバータに送信される信号ＰＷＭＣのタイミングチャートである。
【図３】図１に示すバッテリＢ、コンデンサＣ１および昇圧コンバータ１２の回路図である。
【図４】図１におけるリアクトルＬ１およびＬ２の斜視図である。
【図５】この発明によるリアクトルＬ１，Ｌ２の冷却構造を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００７４】
２ コア、３Ａ，３Ｂ，３Ｃ コイル、３Ｄ 配線、６Ａ，６Ｂ，６Ｃ 端子、１０，１３ 電圧センサ、１２ 昇圧コンバータ、１４ インバータ、１５ Ｕ相アーム、１６ Ｖ相アーム、１７ Ｗ相アーム、２１，２２ ギャップ、２３Ｃ，２３Ｄ 湾曲部、２３Ａ，２３Ｂ 直線部、２４ 電流センサ、３０ 制御装置、１００ モータ駆動装置、３００ ケース、３０１ 突出部、３０５ アッパーカバー、３３０ 冷却フィン、３４０ 冷媒通路、３５０ 平坦部、３６０ 樹脂、Ｂ バッテリ、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ８ ダイオード、Ｌ１，Ｌ２ リアクトル、Ｍ１ 交流モータ、Ｑ１〜Ｑ８ ＩＧＢＴ素子。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電圧変換装置に関し、特に、電池から受けた直流電力の電圧レベルを変換する電圧変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開平１０−６６３８３号公報（特許文献１）は、永久磁石型同期モータ（ＰＭモータ）の駆動制御装置を開示する。この駆動制御装置は、電力変換器への供給に先立ちかつ指令に応じ、バッテリ電圧を昇圧する昇圧回路と、昇圧後の電圧値が、ＰＭモータの目標動作点を実現するのに必要な電力変換器の直流端子側電圧を上回るように昇圧回路に昇圧動作を実行させる手段とを備える。
【０００３】
この駆動制御装置においては、ＰＭモータの目標動作点が現在のバッテリ電圧の下での出力可能領域よりも高回転側に位置しているときに、この目標動作点が出力可能領域に含まれるように、バッテリ電圧が昇圧される。この結果、それまで弱め界磁制御によって行なわれていたＰＭモータの力行可能領域の拡張を、弱め界磁電流に起因した損失の発生やこれによるシステム効率の低下を生じることなく実現することができる。
【特許文献１】特開平１０−６６３８３号公報
【特許文献２】特開２０００−１１６１２０号公報
【特許文献３】特開２００４−１０４９７６号公報
【特許文献４】特開２００２−８４６７６号公報
【特許文献５】特開２００３−３０４６８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特開平１０−６６３８３号公報に開示された技術において、昇圧回路は、ＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）の直流端子間に順方向直列接続された２個のトランジスタと、これらのトランジスタのそれぞれに逆並列接続された２個のダイオードと、２個のトランジスタの接続点にその一端が接続され、バッテリ側に他端が接続された昇圧リアクトルとを備える構成を有している。このような構成において、２個のトランジスタは、コントローラからの昇圧回路に対する昇圧比の指令に従ってスイッチング動作が制御される。
【０００５】
ところで、特開平１０−６６３８３号公報に開示されるような昇圧回路を用いる構成においては、昇圧回路のトランジスタがスイッチング動作を行なうと、そのスイッチング周波数に依存した交流電流（以下、リプル電流とも称する）が発生する。このリプル電流は、昇圧回路に直流電力を供給するバッテリに伝搬すると、リプル電流の影響によってバッテリには膨張収縮作用が生じる。
【０００６】
詳細には、バッテリは、セパレータを介して積層された電極板を有しているため、充電時には、電極板間に生じる電界により電極板間に引力を生じる。この引力により、バッテリ全体としては、電圧印加により収縮することになる。そして、印加電圧が無くなると、バッテリは復帰（膨張）する。そのため、昇圧回路からのリプル電流をバッテリが受けると、バッテリには時間的な変位、すなわち膨張収縮作用が生じる。その結果、この膨張収縮により空気振動が生じて、騒音が発生するという問題があった。
【０００７】
それゆえ、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電圧変換装置の体格およびコストを増加させることなく、リプル電流により発生する電源の騒音を抑制可能な電圧変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明によれば、電圧変換装置は、電源から直流電圧を受け、その受けた直流電圧の電圧レベルを変換する。電圧変換装置は、スイッチング素子と該スイッチング素子によってスイッチングされた電流が流れる第１のリアクトルとを含んで構成された電圧変換器と、電源と電圧変換器との間で、電源と並列に接続された平滑コンデンサと、電源および第１のリアクトル間の電流経路上であって、電源と平滑コンデンサとの間に接続された第２のリアクトルとを備える。
【０００９】
上記の電圧変換装置によれば、電源と平滑コンデンサとの間に第２のリアクトルを配設して電源のインピーダンスを見かけ上高くすることにより、スイッチング動作に伴ない電源を流れる直流電流に重畳されるリプル電流を低減することができる。このときの第２のリアクトルは、必要なインダクタンスが、第１のリアクトルのインダクタンスと比較して低いことから、小型のコイルで構成することができる。その結果、電圧変換装置の体格およびコストを増加させることなく、電源の騒音を抑制することが可能となる。
【００１０】
好ましくは、第２のリアクトルは、第１のリアクトルのコアに対して、第１のリアクトルのコイルと共通に巻回されるコイルを含む。
【００１１】
上記の電圧変換装置によれば、第２のリアクトルを小型のコイルで構成することができるため、当該コイルを第１のリアクトルのコアに共通に巻回することが可能となる。その結果、電圧変換装置の体格およびコストが増加するのをより一層抑えることができる。
【００１２】
好ましくは、電圧変換装置は、第１および第２のリアクトルを格納するためのケースと、ケースの外壁側に配設された冷媒通路とをさらに備える。
【００１３】
上記の電圧変換装置によれば、第２のリアクトルを、第１のリアクトルの冷却系統を用いて冷却することができるため、第２のリアクトルの冷却性能を確保することができる。
【００１４】
好ましくは、電源は、リチウムイオン電池を含む二次電池からなる。
上記の電圧変換装置によれば、電源を、内部抵抗値が低いリチウムイオン電池で構成した場合であっても、見かけ上のインピーダンスを高くすることにより、騒音を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、電圧変換装置の体格およびコストを増加させることなく、電源の騒音を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。
【００１７】
図１は、この発明の実施の形態による電圧変換装置が適用されるモータ駆動装置の概略ブロック図である。
【００１８】
図１を参照して、モータ駆動装置１００は、バッテリＢと、電圧センサ１０，１３と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、リアクトルＬ２と、昇圧コンバータ１２と、インバータ１４と、電流センサ２４と、制御装置３０とを備える。
【００１９】
交流モータＭ１は、ハイブリッド自動車または電気自動車の駆動輪を駆動するためのトルクを発生するための駆動モータである。また、交流モータＭ１は、エンジンにて駆動される発電機の機能を持つように、そして、エンジンに対して電動機として動作し、たとえばエンジンを始動し得るようなモータである。
【００２０】
昇圧コンバータ１２は、リアクトルＬ１と、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子Ｑ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。
【００２１】
リアクトルＬ１の一方端はバッテリＢの電源ラインに接続され、他方端はＩＧＢＴ素子Ｑ１とＩＧＢＴ素子Ｑ２との中間点、すなわち、ＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタとＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタとの間に接続される。
【００２２】
ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２は、電源ラインとアースラインとの間に直列に接続される。ＩＧＢＴ素子Ｑ１のコレクタは電源ラインに接続され、ＩＧＢＴ素子Ｑ２のエミッタはアースラインに接続される。また、各ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ配されている。
【００２３】
インバータ１４は、Ｕ相アーム１５と、Ｖ相アーム１６と、Ｗ相アーム１７とからなる。Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６およびＷ相アーム１７は、電源ラインとアースラインとの間に並列に設けられる。
【００２４】
Ｕ相アーム１５は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４からなる。Ｖ相アーム１６は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６からなる。Ｗ相アーム１７は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８からなる。また、各ＩＧＢＴ素子Ｑ３〜Ｑ８のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。
【００２５】
各相アームの中間点は、交流モータＭ１の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、交流モータＭ１は、３相の永久磁石モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通に接続されて構成される。Ｕ相コイルの他端がＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４の中間点に、Ｖ相コイルの他端がＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６の中間点に、Ｗ相コイルの他端がＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８の中間点にそれぞれ接続されている。
【００２６】
なお、昇圧コンバータ１２およびインバータ１４にそれぞれ含まれるスイッチング素子は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１〜Ｑ８に限定されず、ＭＯＳＦＥＴ等の他のパワー素子で構成しても良い。
【００２７】
バッテリＢは、充放電可能な二次電池であり、例えば、ニッケル水素またはリチウムイオンなどからなる。なお、これらに限らず、直流電圧を生成できるもの、例えば、キャパシタ、太陽電池、燃料電池等であって、電極板に働く引力によって膨張収縮作用が生じるものであれば適用され得る。電圧センサ１０は、バッテリＢから出力される直流電圧Ｖｂを検出し、検出した直流電圧Ｖｂを制御装置３０へ出力する。
【００２８】
コンデンサＣ１は、バッテリＢから供給された直流電圧Ｖｂを平滑化し、その平滑化した直流電圧Ｖｂを昇圧コンバータ１２へ出力する。
【００２９】
昇圧コンバータ１２は、バッテリＢから供給された直流電圧Ｖｂを昇圧してコンデンサＣ２へ供給する。より具体的には、昇圧コンバータ１２は、制御装置３０から信号ＰＷＭＣを受けると、信号ＰＷＭＣによってＩＧＢＴ素子Ｑ２がオンされた期間に応じて直流電圧を昇圧してコンデンサＣ２に供給する。
【００３０】
また、昇圧コンバータ１２は、制御装置３０から信号ＰＷＭＣを受けると、コンデンサＣ２を介してインバータ１４から供給された直流電圧を降圧してバッテリＢを充電する。
【００３１】
コンデンサＣ２は、昇圧コンバータ１２からの直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ１４へ供給する。電圧センサ１３は、コンデンサＣ２の両端の電圧、すなわち、昇圧コンバータ１２の出力電圧Ｖｍ（インバータ１４への入力電圧に相当する。以下同じ。）を検出し、その検出した出力電圧Ｖｍを制御装置３０へ出力する。
【００３２】
インバータ１４は、コンデンサＣ２から直流電圧が供給されると、制御装置３０からの信号ＰＷＭＩに基づいて直流電圧を交流電圧に変換して交流モータＭ１を駆動する。これにより、交流モータＭ１は、トルク指令値ＴＲによって指定された要求トルクを発生するように駆動される。
【００３３】
また、インバータ１４は、モータ駆動装置１００が搭載されたハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時、交流モータＭ１が発電した交流電圧を制御装置３０からの信号ＰＷＭＩに基づいて直流電圧に変換し、変換した直流電圧をコンデンサＣ２を介して昇圧コンバータ１２へ供給する。
【００３４】
なお、ここで言う回生制動とは、ハイブリッド自動車または電気自動車を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合との回生発電を伴なう制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車速を減速（または加速を中止）させることを含む。
【００３５】
電流センサ２４は、交流モータＭ１に流れるモータ電流ＭＣＲＴを検出し、その検出したモータ電流ＭＣＲＴを制御装置３０へ出力する。
【００３６】
制御装置３０は、外部に設けられたＥＣＵ（Electrical Control Unit）から交流モータＭ１が要求される駆動トルクの目標値（以下、トルク指令値とも称する）ＴＲおよびモータ回転数ＭＲＮを受け、電圧センサ１３から出力電圧Ｖｍを受け、電圧センサ１０から直流電圧Ｖｂを受け、電流センサ２４からモータ電流ＭＣＲＴを受ける。そして、制御装置３０は、出力電圧Ｖｍ、トルク指令値ＴＲ、モータ電流ＭＣＲＴに基づいて、インバータ１４が交流モータＭ１を駆動するときにインバータ１４のＩＧＢＴ素子Ｑ３〜Ｑ８をスイッチング制御するための信号ＰＷＭＩを生成し、その生成した信号ＰＷＭＩをインバータ１４へ出力する。
【００３７】
また、制御装置３０は、インバータ１４が交流モータＭ１を駆動するとき、直流電圧Ｖｂ、出力電圧Ｖｍ、トルク指令値ＴＲおよびモータ回転数ＭＲＮに基づいて、昇圧コンバータ１２のＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２をスイッチング制御するための信号ＰＷＭＣを生成して昇圧コンバータ１２へ出力する。
【００３８】
信号ＰＷＭＣは、昇圧コンバータ１２がバッテリＢとインバータ１４との間で電圧変換を行なう場合に、昇圧コンバータ１２を駆動するための信号である。そして、制御装置３０は、昇圧コンバータ１２がバッテリＢからの直流電圧Ｖｂを出力電圧Ｖｍに変換する場合に、出力電圧Ｖｍｇをフィードバック制御し、出力電圧Ｖｍが電圧指令Ｖｄｃ＿ｃｏｍになるように、昇圧コンバータ１２を駆動するための信号ＰＷＭＣを生成する。
【００３９】
また、制御装置３０は、ハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時において、交流モータＭ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換するための信号ＰＷＭＩを生成してインバータ１４へ出力する。この場合、インバータ１４のＩＧＢＴ素子Ｑ３〜Ｑ８は、信号ＰＷＭＩによってスイッチング制御され、インバータ１４は、交流モータＭ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ１２へ供給する。
【００４０】
さらに、制御装置３０は、ハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時において、インバータ１４から供給された直流電圧を降圧するための信号ＰＷＭＣを生成し、その生成した信号ＰＷＭＣを昇圧コンバータ１２へ出力する。これにより、交流モータＭ１が発電した交流電圧は、直流電圧に変換され、降圧されてバッテリＢに供給される。
【００４１】
以上に述べたように、モータ駆動装置１００において、昇圧コンバータ１２は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２がスイッチング制御されることによって、直流電圧を昇圧または降圧させることができる。そして、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング制御を行なうことにより、昇圧コンバータ１２のリアクトルＬ１を流れる電流（以下、リアクトル電流とも称する）ＩＬには、リプル電流が発生する。
【００４２】
図２を参照して、図１のモータ駆動装置１００における昇圧コンバータ１２の動作とリアクトル電流ＩＬとの関係を説明する。
【００４３】
図２は、昇圧コンバータ１２に送信される信号ＰＷＭＣの推移を表わす。図２に示すように、信号ＰＷＭＣは、オン状態（ＯＮ）とオフ状態（ＯＦＦ）との間で切換わる。このときのＯＮの時間とＯＦＦの時間との和は、信号ＰＷＭＣの１周期（制御周期）に相当する。制御周期は、昇圧コンバータ１２に含まれるＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２をオン／オフするためのキャリア周波数から求めることができる。
【００４４】
そして、このような信号ＰＷＭＣが出力されているとき、リアクトル電流ＩＬには、周期的に増減するリプル電流Ｉｒｐが重畳する。リプル電流Ｉｒｐが増減する周期は、昇圧コンバータ１２の制御周期に一致している。
【００４５】
図３は、図１に示すバッテリＢ、コンデンサＣ１および昇圧コンバータ１２の回路図である。
【００４６】
図３を参照して、昇圧コンバータ１２のＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２が所定のキャリア周波数でスイッチング制御されている場合、上述したように、リアクトルＬ１には、キャリア周波数に応じたリプル電流Ｉｒｐが流れる。そして、このリプル電流Ｉｒｐは、バッテリＢに流れるリプル電流ＩｒｐｂとコンデンサＣ１に流れるリプル電流Ｉｒｐｃとの和になる。
【００４７】
Ｉｒｐ＝Ｉｒｐｂ＋Ｉｒｐｃ （１）
そして、バッテリＢに流れるリプル電流Ｉｒｐｂのピークピーク値をΔＩｒｐｂとし、かつ、コンデンサＣ１に流れるリプル電流Ｉｒｐｃのピークピーク値をΔＩｒｐｃとすると、ΔＩｒｐｂとΔＩｒｐｃとの間には、次式の関係が成立する。
【００４８】
ΔＩｒｐｂ：ΔＩｒｐｃ＝１／Ｚｂ：１／Ｚｃ （２）
ただし、ＺｂはバッテリＢのインピーダンスであり、ＺｃはコンデンサＣ１のインピーダンスである。
【００４９】
式（２）から分かるように、バッテリＢに流れるリプル電流のピークピーク値ΔＩｒｐｂは、バッテリＢのインピーダンスＺｂに反比例した大きさとなり、インピーダンスＺｂが低くなるほど大きくなる。そして、このバッテリＢに流れるリプル電流ＩｒｐｂによってバッテリＢに膨張収縮作用が生じることにより、空気振動が生じて騒音が発生する。
【００５０】
特に、バッテリＢをリチウムイオン電池で構成した場合には、その内部抵抗値が低いという特性によって大電流充放電特性が得られる反面、低インピーダンスＺｂに起因してリプル電流Ｉｒｐｂが増大し、騒音の程度が悪化するという問題があった。
【００５１】
ここで、バッテリＢに流れるリプル電流Ｉｒｐｂを低減するためには、上述した式（２）の関係から、バッテリＢに並列に接続されたコンデンサＣ１のインピーダンスＺｃを下げる手段が有効であると思われる。しかしながら、この手段は、コンデンサＣ１を容量の大きい大型の素子で構成することが必要となり、モータ駆動装置１００の体格およびコストを増大させる不具合に繋がる。
【００５２】
また、別の手段としては、昇圧コンバータ１２のリアクトルＬ１のインダクタンスを高くすることによってリアクトル電流ＩＬのリプル電流Ｉｒｐを低減することが挙げられる。しかしながら、リアクトルＬ１は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング制御に応答してバッテリＢまたはインバータ１４との間で電力を蓄積／開放することによって電圧変換動作を遂行させることから、制御応答性を担保する観点からインダクタンスの増加には限界がある。
【００５３】
そこで、この発明による電圧変換装置においては、図３に示すように、バッテリＢとコンデンサＣ１との間で、リアクトルＬ１と直列に接続されたリアクトルＬ２を設けることによって、バッテリＢのインピーダンスＺｂを見かけ上高くする構成とする。
【００５４】
このような構成とすることにより、この発明による電圧変換装置は、以下に述べるように、装置の体格およびコストを増大させることなく、バッテリＢの騒音を抑制することが可能となる。特に、本願発明を、バッテリＢがリチウムイオン電池で構成された電圧変換装置に適用した場合には、見かけ上のインピーダンスが高められることによって、効果的に騒音を抑制することができる。
【００５５】
詳細には、この発明によれば、バッテリＢは、リアクトルＬ２と直列に接続され、かつ、コンデンサＣ１と並列に接続されることになる。そのため、昇圧コンバータ１２のリアクトルＬ１から見た、バッテリＢのインピーダンスＺｂは、本来のバッテリＢのインピーダンスＺｂに対してリアクトルＬ２のインダクタンスを加算した値となる。これにより、式（２）の関係に照らして、バッテリＢに流れるリプル電流Ｉｒｐｂが低減されるため、このリプル電流ＩｒｐｂによるバッテリＢの膨張収縮作用に起因して発生する騒音を抑制することができる。
【００５６】
そして、このときのリアクトルＬ２は、昇圧コンバータ１２のリアクトルＬ１と比較して、インダクタンスが低いことから、リアクトルＬ２を、リアクトルＬ１と一体化した構造によって実現することができる。その結果、コンデンサＣ１のインピーダンスＺｃを下げるのと比較して、電圧変換装置の体格およびコストが増大するのを回避することができる。
【００５７】
より詳細には、リアクトルＬ２のインダクタンスは、バッテリＢに流れるリプル電流のピークピーク値ΔＩｒｐｂが騒音を抑制できる所定の許容電流値を超えないように設定される。具体的には、バッテリＢの膨張収縮作用により発生する騒音の程度が所定の許容レベルを超えないように、リプル電流Ｉｒｐｂのピークピーク値ΔＩｒｐｂに所定の閾値Ｉｌｉｍを設定する。そして、式（２）の左辺が、この閾値Ｉｌｉｍと、リアクトルＬ１に流れるリプル電流のピークピーク値ΔＩｒｐから閾値Ｉｌｉｍを差し引いた値との比（＝Ｉｌｉｍ：ΔＩｒｐ−Ｉｌｉｍ）に一致するように、バッテリＢのインピーダンスＺｂが決定される。そして、その決定されたインピーダンスＺｂに基づいて、リアクトルＬ２のインダクタンスが設定される。このとき設定されたリアクトルＬ２のインダクタンスは、数ｎＨ程度であり、昇圧コンバータ１２のリアクトルＬ１のインダクタンス（数百ｎＨ程度）と比較して著しく低いものとなる。そのため、図４に示すように、リアクトルＬ２を、昇圧コンバータ１２のリアクトルＬ１と一体化した構造によって実現することが可能となる。
【００５８】
図４は、図１におけるリアクトルＬ１およびＬ２の斜視図である。
図４を参照して、リアクトルＬ１は、コア２と、コア２に巻回されたコイルとを含む。コア２は、直線部２３Ａ，２３Ｂおよび湾曲部２３Ｃ，２３Ｄからなる。直線部２３Ａ，２３Ｂおよび湾曲部２３Ｃ，２３Ｄは、一部にギャップ２１，２２を形成するように環状に配置される。そして、ギャップ２１，２２は、例えば、ガラスのエポキシ材からなる。
【００５９】
コイルは、コイル３Ａ，３Ｂからなる。コイル３Ａは、コア２の一方の直線部２３Ａに銅線を巻くことにより作製され、コイル３Ｂは、コア２の他方の直線部２３Ｂに銅線を巻くことにより作製される。コイル３Ａは、配線３Ｄによりコイル３Ｂと接続される、これにより、コイル３Ａ，３Ｂは、直列に接続される。そして、例えば、端子６Ｂから端子６Ａの方向に電流が流される。
【００６０】
端子６Ａは、昇圧コンバータ１２のＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２の中間点（図３のノードＮＡに相当）に電気的に接続される。端子６Ｂは、コンデンサＣ１の一方端子（図３のノードＮＢに相当）に電気的に接続される。
【００６１】
そして、リアクトルＬ２は、リアクトルＬ１との間でコア２を共通するように配設される。すなわち、リアクトルＬ２のコイル３Ｃは、コア２の他方の直線部２３Ｂに銅線を巻くことにより作製される。コイル３Ｃは、コイル３Ｂと直列に接続される。そして、例えば、端子６ＣからリアクトルＬ１の端子６Ｂの方向に電流が流される。端子６Ｃは、バッテリＢの正極（図３のノードＮＣに相当）に電気的に接続される。
【００６２】
このように、バッテリＢとコンデンサＣ１との間に設けられるリアクトルＬ２は、昇圧コンバータ１２のリアクトルＬ１と比較してインダクタンスが著しく低いことから、リアクトルＬ１のコア２にコイル３Ｃを巻回することによって簡易に形成することができる。したがって、装置の体格およびコストを増加させることなく、バッテリＢの騒音を抑制することができる。
【００６３】
さらには、リアクトルＬ２とリアクトルＬ１との間でコア２を共有する構成としたことによって、以下に述べるように、リアクトルＬ２の冷却性能を確保することが可能となる。
【００６４】
図５は、この発明によるリアクトルＬ１，Ｌ２の冷却構造を説明するための断面図である。
【００６５】
図５を参照して、モータ駆動装置１００の構成要素を格納するためのケース３００を覆うようにアッパーカバーが設けられる。ケース３００およびアッパーカバー３０５は、溶接によって、あるいは図示しないネジ等の固定部材によって固定される。
【００６６】
ケース３００の内壁面には、リアクトルＬ１，Ｌ２を格納可能な形状で突出部３０１が設けられる。ケース３００は、内壁面に突出部３０１が一体的に成形されるように、アルミ等の金属鋳物として作製される。アッパーカバー３０５は、例えば、アルミプレスによって形成される。
【００６７】
リアクトルＬ１，Ｌ２は、ケース３００の底面の突出部３０１で囲まれた領域に据え付けられる。そして、リアクトルＬ１，Ｌ２と突出部３０１との隙間には、熱硬化性の樹脂３６０が充填されてリアクトルＬ１，Ｌ２がモールドされる。また、突出部３０１で囲まれた領域には、リアクトルＬ１，Ｌ２の端子６Ａ〜６Ｃに相当する電極を取り出すための開口部が設けられており、端子６Ａ〜６Ｃは、図３に示したノードＮＡ〜ＮＣとそれぞれ接続される。
【００６８】
ケース３００の外壁面の少なくとも一部には、冷却フィン３３０が設けられ、冷却フィン３３０および他のケース等の平坦部３５０との間には、冷却水等の冷媒が流される冷媒通路３４０が形成される。冷媒通路３４０を、リアクトルＬ１，Ｌ２が配置される領域の外壁面に設けることにより、リアクトルＬ１，Ｌ２での発熱を効率的に放熱できる。
【００６９】
さらに、樹脂３６０として熱伝導性の高い材質を用いれば、リアクトルＬ１，Ｌ２の放熱性をより高めることができる。
【００７０】
以上のように、この発明の実施の形態によれば、電圧変換装置の体格およびコストを増加させることなく、リプル電流に起因して発生する電源の振動を抑制することができる。特に、電源を、内部抵抗値が低いリチウムイオン電池で構成した場合であっても、見かけ上のインピーダンスを高くすることにより、騒音を抑制することができる。
【００７１】
なお、昇圧コンバータの回路構成は、図１に示されたものに限定されず、スイッチング素子のスイッチング動作によりリプル電流が発生するリアクトルを含む回路構成であれば、本発明の適用が可能である。また、電動車両の構成についても、車両駆動用モータを搭載し、かつ、該車両駆動用モータに上記昇圧コンバータを介して電力供給を行なう構成であれば、本発明を適用することが可能である。
【００７２】
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、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。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】この発明の実施の形態による電圧変換装置が適用されるモータ駆動装置の概略ブロック図である。
【図２】昇圧コンバータに送信される信号ＰＷＭＣのタイミングチャートである。
【図３】図１に示すバッテリＢ、コンデンサＣ１および昇圧コンバータ１２の回路図である。
【図４】図１におけるリアクトルＬ１およびＬ２の斜視図である。
【図５】この発明によるリアクトルＬ１，Ｌ２の冷却構造を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００７４】
２ コア、３Ａ，３Ｂ，３Ｃ コイル、３Ｄ 配線、６Ａ，６Ｂ，６Ｃ 端子、１０，１３ 電圧センサ、１２ 昇圧コンバータ、１４ インバータ、１５ Ｕ相アーム、１６ Ｖ相アーム、１７ Ｗ相アーム、２１，２２ ギャップ、２３Ｃ，２３Ｄ 湾曲部、２３Ａ，２３Ｂ 直線部、２４ 電流センサ、３０ 制御装置、１００ モータ駆動装置、３００ ケース、３０１ 突出部、３０５ アッパーカバー、３３０ 冷却フィン、３４０ 冷媒通路、３５０ 平坦部、３６０ 樹脂、Ｂ バッテリ、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ８ ダイオード、Ｌ１，Ｌ２ リアクトル、Ｍ１ 交流モータ、Ｑ１〜Ｑ８ ＩＧＢＴ素子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源から直流電圧を受け、その受けた直流電圧の電圧レベルを変換する電圧変換装置であって、
スイッチング素子と該スイッチング素子によってスイッチングされた電流が流れる第１のリアクトルとを含んで構成された電圧変換器と、
前記電源と前記電圧変換器との間で、前記電源と並列に接続された平滑コンデンサと、
前記電源および前記第１のリアクトル間の電流経路上であって、前記電源と前記平滑コンデンサとの間に接続された第２のリアクトルとを備える、電圧変換装置。
【請求項２】
前記第２のリアクトルは、前記第１のリアクトルのコアに対して、前記第１のリアクトルのコイルと共通に巻回されるコイルを含む、請求項１に記載の電圧変換装置。
【請求項３】
前記第１および第２のリアクトルを格納するためのケースと、
前記ケースの外壁側に配設された冷媒通路とをさらに備える、請求項２に記載の電圧変換装置。
【請求項４】
前記電源は、リチウムイオン電池を含む二次電池からなる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電圧変換装置。
【請求項１】
電源から直流電圧を受け、その受けた直流電圧の電圧レベルを変換する電圧変換装置であって、
スイッチング素子と該スイッチング素子によってスイッチングされた電流が流れる第１のリアクトルとを含んで構成された電圧変換器と、
前記電源と前記電圧変換器との間で、前記電源と並列に接続された平滑コンデンサと、
前記電源および前記第１のリアクトル間の電流経路上であって、前記電源と前記平滑コンデンサとの間に接続された第２のリアクトルとを備える、電圧変換装置。
【請求項２】
前記第２のリアクトルは、前記第１のリアクトルのコアに対して、前記第１のリアクトルのコイルと共通に巻回されるコイルを含む、請求項１に記載の電圧変換装置。
【請求項３】
前記第１および第２のリアクトルを格納するためのケースと、
前記ケースの外壁側に配設された冷媒通路とをさらに備える、請求項２に記載の電圧変換装置。
【請求項４】
前記電源は、リチウムイオン電池を含む二次電池からなる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電圧変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−１４８５２９（Ｐ２００８−１４８５２９Ａ）
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３３５９９２（Ｐ２００６−３３５９９２）
【出願日】平成１８年１２月１３日（２００６．１２．１３）
【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２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月１３日（２００６．１２．１３）
【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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