電源システム

【課題】各種の外部電源からバッテリを効果的に充電する。
【解決手段】インバータ１２は、正負母線間に配置されたスイッチング素子１６の直列接続により構成されるレグを複数有し、直流電源からの直流電力を正負母線に受け、スイッチング素子のスイッチングによってレグの中点から前記直流電力を交流電力に変換してモータ１８に供給する。ダイオードブリッジ２２は、ダイオード２４の直列接続により構成されるレグを複数有し、外部電源２０からの電力をレグの中点に受け入れ、これを整流して直流出力を得る。そして、ダイオードブリッジ２２の一端を、インバータの一方の母線に共通接続し、他端を、それぞれ別々にインバータ２２の各相の中点に接続する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
外部電源からの電力を整流するダイオードブリッジと、直流電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータとを有する電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車は、駆動用のモータを搭載し、車載バッテリからの電力で、モータを駆動して走行する。従って、外部電源からの電力でバッテリ（二次電池）を充電する必要があり、外部電源として専用の充電設備だけでなく、商用の１００Ｖ、２００Ｖ電源などが利用可能なものも増えてきている。
【０００３】
なお、モータとエンジンを搭載するハイブリッド自動車においても、電気自動車として走行するモードを有しており、外部電源を利用して充電可能となっているものも提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２４５３２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、外部電源には、各種のものがあり、いずれを用いた場合にも、電気自動車、ハイブリッド自動車のバッテリに効果的に充電したいという要求がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、正負母線間に配置されたスイッチング素子の直列接続により構成されるレグを複数有し、直流電源からの直流電力を正負母線に受け、スイッチング素子のスイッチングによってレグの中点から前記直流電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータと、ダイオードの直列接続により構成されるレグを複数有し、外部から供給される外部電源をレグの中点に受け入れ、これを整流して直流出力を得るダイオードブリッジと、を含み、前記ダイオードブリッジの一端を、インバータの一方の母線に共通接続し、前記ダイオードブリッジの他端を、それぞれ別々にインバータの各相の中点に接続することを特徴とする。
【０００７】
また、前記ダイオードブリッジの複数のレグの中点にそれぞれ接続されるリアクトルを有し、前記外部電源からの電力は、リアクトルを介しダイオードブリッジに入力されることが好適である。
【０００８】
また、前記インバータにおける各レグにおける上側スイッチング素子と、下側スイッチング素子のオン期間の比を制御することで、ダイオードブリッジからの直流出力の電圧を制御することが好適である。
【０００９】
また、前記外部電源に対する要求充電電力に応じて前記直流出力の電圧を制御することが好適である。
【００１０】
また、前記ダイオードブリッジの一端を、インバータの負母線に共通接続することが好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、インバータの上側スイッチング素子と下側スイッチング素子のオン期間の比を制御することで、ダイオードブリッジの整流後出力電圧を制御することができ、外部電源からの電力を制御することができる。従って、各種の外部電源からの電力を利用して効果的な充電が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係る電源システムの構成を示す図である。
【図２】モータ駆動の電圧指令の波形を示す図である。
【図３】実施形態の原理を説明する図である。
【図４】外部電源の構成例を示す図である。
【図５】単相１００Ｖでのバッテリ電流の波形を示す図である。
【図６】単相１００Ｖでのバッテリ電流の拡大波形を示す図である。
【図７】単相１００Ｖでのモータ電流の波形を示す図である。
【図８】単相１００Ｖでの電源電流の波形を示す図である。
【図９】単相１００Ｖでの電源電流の拡大波形を示す図である。
【図１０】単相２００Ｖでのバッテリ電流の波形を示す図である。
【図１１】単相２００Ｖでのバッテリ電流の拡大波形を示す図である。
【図１２】単相２００Ｖでのモータ電流の波形を示す図である。
【図１３】単相２００Ｖでの電源電流の波形を示す図である。
【図１４】単相２００Ｖでの電源電流の拡大波形を示す図である。
【図１５】単三１００Ｖでのバッテリ電流の波形を示す図である。
【図１６】単三１００Ｖでのバッテリ電流の拡大波形を示す図である。
【図１７】単三１００Ｖでのモータ電流の波形を示す図である。
【図１８】単三１００Ｖでの電源電流の波形を示す図である。
【図１９】単三１００Ｖでの電源電流の拡大波形を示す図である。
【図２０】直流４００Ｖでのバッテリ電流の波形を示す図である。
【図２１】直流４００Ｖでのバッテリ電流の拡大波形を示す図である。
【図２２】直流４００Ｖでのモータ電流の波形を示す図である。
【図２３】直流４００Ｖでの電源電流の波形を示す図である。
【図２４】直流４００Ｖでの電源電流の拡大波形を示す図である。
【図２５】他の実施形態に係る発電制御システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１は、電気自動車に搭載された電源システムの構成を示す図である。バッテリ１０は、リチウムイオン電池や、ニッケル水素電池などの二次電池であり、多数の電池セルの直列接続によって数１００Ｖの直流電圧を出力する。
【００１５】
このバッテリ１０には、インバータ１２の正負母線が接続されている。また、インバータ正負母線間にはコンデンサ１４が接続され、インバータ１２の正負母線間電圧を平滑化している。
【００１６】
インバータ１２は、６つのスイッチング素子１６（１６−１ｕ，１６−２ｕ，１６−１ｖ，１６−２ｖ，１６−１ｗ，１６−２ｗ）からなっており、正負母線間に直列接続された、スイッチング素子１６−１ｕ，１６−２ｕがｕ相レグ、スイッチング素子１６−１ｖ，１６−２ｖがｖ相レグ、スイッチング素子１６−１ｗ，１６−２ｗがｗ相レグを構成している。
【００１７】
なお、全てのスイッチング素子１６は、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子と、これに並列接続され、逆方向電流を流すダイオードからなっており、ＩＧＢＴはｎｐｎ型でコレクタが上側（正母線側）に配置されている。
【００１８】
各相レグの中点は、モータ１８の各相コイルに接続されている。そこで、インバータ１２のスイッチング素子１６のオンオフを適切に制御することで、モータ１８に三相の交流電流が流れ、モータ１８が駆動される。
【００１９】
ここで、走行時は、車両のアクセル踏み込み量などから決定される目標出力トルクに応じて決定される、モータ１８への各相電圧指令に基づき、インバータ１２をＰＷＭ（パルス幅変調）制御することによって、モータ１８の駆動が制御される。なお、ＰＷＭ制御によって各相のモータ印加電圧の一次成分、モータ電流は正弦波となり、モータ１８は正弦波駆動される。
【００２０】
また、車両には、ＲＳＴの３つの端子を有するコネクタ２８が設けられており、このコネクタ２８を介し外部電源２０が接続される。なお、コネクタ２８は、一対の接続部を連結することで接続される。
【００２１】
コネクタ２８の３端子ＲＳＴは、平滑リアクトル２６を介し、ダイオードブリッジ２２に接続されている。このダイオードブリッジ２２は、カソードを上側（正側）に向けた６つのダイオード２４（２４−１ｕ，２４−２ｕ，２４−１ｖ，２４−２ｖ，２４−１ｗ，２４−２ｗ）からなっており、ダイオード２４−１ｕ，２４−２ｕがｕ相レグ、ダイオード２４−１ｖ，２４−２ｖがｖ相レグ、ダイオード２４−１ｗ，２４−２ｗがｗ相レグを構成しており、各レグの中点に外部電源２０からの電力がコネクタ２８、平滑リアクトル２６を介し供給される。従って、外部電源２０からの電力がダイオードブリッジ２２に供給され、整流された三相の出力がダイオードブリッジ２２の各レグの正側（上側）に得られる。
【００２２】
ダイオードブリッジ２２の負側は、共通接続され、インバータ１２の負母線に接続され、正側は、各相が独立して、モータ１８の各相のコイル端に接続されている。すなわち、ダイオードブリッジ２２の各レグの上側ダイオードのカソードがそれぞれ独立してモータ１８の各相のコイル端に接続されている。
【００２３】
車両の停止時において、コネクタ２８を介し外部電源２０を接続し、バッテリ１０を充電する場合（充電時）には、コントローラ３０は、インバータ１２における上側スイッチング素子１６−１と、下側スイッチング素子１６−２のオン期間の比（デューティー比）を変更することで、インバータ１２の平均出力電圧を制御する。すなわち、インバータ１２は、ＰＷＭ制御によって電圧指令に応じた電圧出力を得るが、この際の上側スイッチング素子１６−１と、下側スイッチング素子１６−２のオン期間の比を１：１ではなくすることによって、インバータ１２の平均出力電圧が変化する。これは、ＰＷＭ指令電圧に対し三相ともに均等な直流分を加えることで実現できる。なお、バッテリ１０からインバータ１２に至る経路には、電流計３２が設けられており、バッテリ１０の充放電電流をコントローラ３０に供給する。
【００２４】
ここで、充電時において、モータ１８の出力トルクは０であり、モータ１８の出力トルクが０になるようにインバータ１２の出力を制御する。すなわち、モータ１８の電流は０であり、ＰＷＭ制御指令電圧の振幅も０である。図２においては、三相ともに交流振幅０、直流分Ｖ１の指令値を与えた場合を示している。振幅が０なので各相の指令値は重なっており区別できない。
【００２５】
通常、ＰＷＭ制御には、三角波キャリア比較法を用いる。この時、各相でキャリアは共通であるが、本構成では、各相に位相を均等にずらしたキャリア（三相ならば１２０°ずつ）を用いることができる。この場合、電源電流のリプルが抑制される効果がある。
【００２６】
そして、本実施形態では、ダイオードブリッジ２２の３相の整流出力端がモータ１８の各相コイル端に接続されている。従って、ダイオードブリッジ２２の３相の整流出力端の平均電圧（以下、制御電圧という）も、インバータ１２の平均出力電圧に等しくなり、全体としてダイオードブリッジ２２の出力端が制御電圧に維持されたものとして、外部電源２０からの充電が制御されることになる。
【００２７】
図３には、本実施形態の原理を示してある。実際の回路では、図１に示すように、ダイオードブリッジ２２の３つの出力は、それぞれ別々にモータの三相コイル端に接続されている。しかし、その動作においては、ダイオードブリッジ２２の３つの出力はそれぞれ平均化され、結局は図３に示すような単相昇圧チョッパ（スイッチング素子１６−１，１６−２）を三相に拡張したものと同じことになる。
【００２８】
このようにして、本実施形態では、ダイオードブリッジ２２の出力電圧がインバータ１２の平均出力電圧と同等である制御電圧に制御される。従って、インバータ１２を制御することで、外部電源２０からの受け入れ電力を制御することが可能になる。
【００２９】
例えば、制御電圧を低くすると、より多くの電流がバッテリ１０に向けて流れることになり、外部電源２０からの受け入れ電流量が増加する。反対に制御電圧を高くすると、バッテリ１０に向けて流れる電流が減少し、外部電源からの受け入れ電流量が減少する。
【００３０】
図４には、各種の外部電源２０を示してある。（Ａ）は、例えば充電スタンドなどで電気自動車用に提供される直流４００Ｖ電源、（Ｂ）は、例えば通常の家庭などのコンセントから提供される単相の交流１００Ｖ、２００Ｖ電源、（Ｃ）は、単相３線式の交流１００Ｖ電源、（Ｄ）は、三相交流電源を示している。
【００３１】
このような各種電源では、その能力に大きな差がある。本実施形態では、接続される外部電源２０の種類に応じて、充電電流を各外部電源に応じたものに制御する。例えば、コントローラ３０が内部に各種電源と、適切な制御電圧のテーブルを有しており、ユーザの入力に応じて、制御電圧を制御する。この場合、車両に設けられているディスプレイ、タッチパネルなどを利用して、ユーザが選択できるようにすることが好適である。また、コネクタの近くに専用のディスプレイ、タッチパネルなどを設けることも好ましい。
【００３２】
さらに、コントローラ３０が、接続された外部電源を自動判定してもよい。すなわち、コネクタ２８の３端子の電圧を計測する電圧計を設け、これらの電圧値に応じて、接続された外部電源２０がどの電源であるかをコントローラ３０が判定する。例えば、電源の種別をゼロクロスの周期、ピーク電圧などから判定することができる。
【００３３】
そして、判定した場合に、制御電圧を決定し、インバータ１２のスイッチングを制御するとよい。この場合、ディスプレイに検出した電源種別を表示して、ユーザの確認を得てもよい。この場合、所定時間内に異なる電源種別についての入力がない場合には、検出した電源種別に適切な制御電圧に制御するとよい。
【００３４】
充電を開始するときには、制御電圧を十分高くして、充電電流を０に設定し、その後徐々に制御電圧を下げて、所定の充電電流となるように制御することが好ましい。
【００３５】
ここで、本実施形態では、コネクタ２８とダイオードブリッジ２２の間に平滑リアクトル２６が配置されている。従って、外部電源２０の内部インピーダンスが小さくても、過大な電流が外部電源からバッテリ１０へ流れることを防止する。
【００３６】
なお、外部電源がトランスを含んでいる場合には、このトランスが平滑リアクトル２６として機能するので、平滑リアクトル２６を省略することができる。
【００３７】
このようなシステムにおいて、モータ１８の電流は０に維持しつつ、バッテリ１０への充電電流を変更した場合の各種電流の変化についてのシミュレーション結果を図５〜図２４に示す。
【００３８】
図５〜図９は単相１００Ｖ、図１０〜図１４は単相２００Ｖ、図１５〜図１９は単相３線式の交流１００Ｖ（単三１００Ｖ）、図２０〜図２４は直流４００Ｖの場合を示している。
それぞれ、バッテリ、モータ、電源の電流波形を示している。いずれの場合も、充電指令は、０〜０．１０の区間で０、０．１〜０．４５の区間で１００、０．４〜０．５５区間で２００（電流ベクトルの大きさ）とした。モータ電流は０近くに抑えつつ、充電電流を制御できていることがわかる。
【００３９】
図２５には、レンジエクステンダ４０、外部給電オプション５０、車内給電オプション６０、非接触充電オプション７０を追加した他の実施形態が示してある。
【００４０】
レンジエクステンダ４０は、車載される発電装置であり、平滑リアクトル２６とダイオードブリッジ２２の３相の接続ラインに接続されるリレー４２と、リレー４２に接続される発電機４４と、発電機４４を駆動するエンジン４６と有している。レンジエクステンダ４０を利用する場合には、リレー４２をオンにする。そして、エンジン４６の駆動力で発電機４４のロータを回転させ、発電機４４の３相のコイルに３相の交流電流を発生する。発生した交流電流を、リレー４２を介しダイオードブリッジ２２に供給することで、ダイオードブリッジ２２の上側に整流された出力が得られる。従って、このレンジエクステンダ４０は、直流電源２０として三相交流電源を用いた場合と同様の構成となる。
【００４１】
そして、インバータ１２により、モータ１８の三相平均電圧（制御電圧）を制御することで、発電機４４の発電量を制御することができる。発電量の制御とモータ１８の走行制御は同時に行うことができ、この場合、図２で示した直流分Ｖ１に交流指令分を重畳することで、充電制御と独立にモータ駆動制御ができる。
【００４２】
発電出力電力制御においては、エンジン出力を制御するのにスロットルを調節する。スロットル開度が一定の時、制御電圧を低くすると負荷が増加し、回転数が下がるので出力も下がる。反対に、制御電圧を高くすると負荷が減少し、回転数が上がるので出力は上がる。このように、制御電圧とスロットルを制御することで、自然にエンジントルクと発電機トルクとがバランスする点に落ち着く。
【００４３】
外部給電オプション５０は、インバータ１２の三相出力とモータ１８のコイル端の間に配置された切り替えリレー５２と、コネクタ５４を有している。従って、給電が必要な場合に、切り替えリレー５２により、モータ１８を切り離し、インバータ１２をコネクタ５４に接続する。そして、このコネクタ５４を介し、各種の負荷に交流電力を供給することができる。すなわち、インバータ１２の制御によって、直流、単相、三相、１００Ｖ、２００Ｖなどの出力をコネクタ５４に得ることができる。この場合、図２で示した直流分Ｖ１に交流指令分を重畳することで、充電制御と独立に給電電力を制御できる。
【００４４】
車内給電オプション６０は、正負母線間に配置されるスイッチング素子の直列接続からなるレグを２本からなるインバータ６２と、このインバータ６２の出力（２つのレグの中点）が接続されるコネクタ６４を有する。従って、バッテリ１０の出力を任意の電圧の単相交流電力に変換して出力することができる。例えば、単相１００Ｖの出力が得られる。従って、走行中においても、車載される単相１００Ｖの機器をコネクタ６４に接続して駆動することができる。
非接触充電オプション７０は、地上に設置した送電コイル（図示せず）より、受電コイル７２へ電力を送電するものであり、受電コイル７２と、受電コイル７２とダイオードブリッジ２２の３相の接続ラインの接続を制御するリレー７４を備える。送電コイルと受電コイル７２間は空間を伝播し電力が授受される。受電コイル７２に現れる電圧は単相交流であり、図４（Ｂ）で説明したものと同じである。この非接触充電オプション７０によれば、送電コイルを備えた場所であれば、停車中あるいは走行中に電力を受け取り、バッテリ１０を充電することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０バッテリ、１２インバータ、１４コンデンサ、１６スイッチング素子、１８モータ、２０外部電源、２２ダイオードブリッジ、２４ダイオード、２６平滑リアクトル、２８コネクタ、３０コントローラ。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
正負母線間に配置されたスイッチング素子の直列接続により構成されるレグを複数有し、直流電源からの直流電力を正負母線に受け、スイッチング素子のスイッチングによってレグの中点から前記直流電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータと、
ダイオードの直列接続により構成されるレグを複数有し、外部から供給される外部電源をレグの中点に受け入れ、これを整流して直流出力を得るダイオードブリッジと、
を含み、
前記ダイオードブリッジの一端を、インバータの一方の母線に共通接続し、
前記ダイオードブリッジの他端を、それぞれ別々にインバータの各相の中点に接続することを特徴とする電源システム。
【請求項２】
請求項１に記載の電源システムであって、
前記ダイオードブリッジの複数のレグの中点にそれぞれ接続されるリアクトルを有し、
前記外部電源は、リアクトルを介しダイオードブリッジに入力されることを特徴とする電源システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電源システムであって、
前記インバータにおける各レグにおける上側スイッチング素子と、下側スイッチング素子のオン期間の比を制御することで、ダイオードブリッジからの直流出力の電圧を制御することを特徴とする電源システム。
【請求項４】
請求項１または２に記載の電源システムであって、
前記外部電源に対する要求充電電力に応じて前記直流出力の電圧を制御することを特徴とする電源システム。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の電源システムであって、
前記ダイオードブリッジの一端を、インバータの負母線に共通接続することを特徴とする電源システム。

【図１】