JP2005086921A

JP2005086921A - Power supply device and automobile equipped with the same

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Publication number: JP2005086921A
Application number: JP2003317032A
Authority: JP
Inventors: Koji Yamada; 浩二山田
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【課題】交流モータを駆動制御する電源装置について、コンパクトでありかつ安全性の高い車載用に適した構成を提供することである。
【解決手段】交流モータＭＧを駆動制御する電源装置５は、直流電源１０と、インバータ２０と、トランスで構成された変圧部３０とを備える。直流電源１０は、二次電池で構成され、直流電圧Ｅ１を供給する。インバータ２０は、直流電源１０からの直流電圧Ｅ１を直接入力電圧として、直流−交流間の電力変換を行なう。変圧部３０は、インバータによって変換された交流電圧を昇圧して、昇圧された交流電圧ｅ２を交流モータＭＧへ印加する。これにより、昇圧された高電圧部分は、直流電源１０の負側から切離される。
【選択図】図１PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact and highly safe configuration suitable for in-vehicle use for a power supply device for driving and controlling an AC motor.
A power supply device 5 that drives and controls an AC motor MG includes a DC power supply 10, an inverter 20, and a transformer section 30 that includes a transformer. The DC power supply 10 is composed of a secondary battery and supplies a DC voltage E1. The inverter 20 performs DC-AC power conversion using the DC voltage E1 from the DC power supply 10 as a direct input voltage. Transformer 30 boosts the AC voltage converted by the inverter and applies the boosted AC voltage e2 to AC motor MG. Thereby, the boosted high voltage portion is disconnected from the negative side of the DC power supply 10.
[Selection] Figure 1

Description

この発明は電源装置に関し、より特定的には、交流モータを駆動制御する電源装置およびそれを搭載した自動車に関する。 The present invention relates to a power supply device, and more particularly to a power supply device that drives and controls an AC motor, and an automobile equipped with the power supply device.

交流モータを駆動制御する電源装置として、低電圧バッテリからの直流電圧を昇圧して高圧の交流電圧を発生するタイプのものが存在する。特に、このタイプの電源装置を車載用電動機の制御装置として適用する技術が開示されている（たとえば特許文献１）。 As a power supply device that drives and controls an AC motor, there is a type that generates a high-voltage AC voltage by boosting a DC voltage from a low-voltage battery. In particular, a technique for applying this type of power supply device as a control device for an in-vehicle electric motor is disclosed (for example, Patent Document 1).

当該特許文献１に開示された技術では、低電圧バッテリ２１、双方向絶縁型昇降圧チョッパ回路４０および電動機駆動制御部（インバータ）３２によって、低圧の直流電圧と高圧の交流電圧との間での電力変換が行なわれる。 In the technique disclosed in Patent Document 1, the low voltage battery 21, the bidirectional insulation type step-up / step-down chopper circuit 40, and the motor drive control unit (inverter) 32 are used to generate a low-voltage DC voltage and a high-voltage AC voltage. Power conversion is performed.

さらに、低電圧バッテリの負側を自動車の車体本体で接地（アース）する一方で、双方向絶縁型昇降圧チョッパ回路を用いることで低電圧側と高電圧側とを絶縁し、かつ、高電圧側の電源ラインを車体本体からフローティングさせる構成とすることによって、感電事故に対する安全性を確保している。
特開平７−２３５０５号公報特開２００１−２８６１９６号公報 In addition, the negative side of the low-voltage battery is grounded (grounded) at the body of the vehicle, while the bidirectionally-isolated buck-boost chopper circuit is used to insulate the low-voltage side from the high-voltage side and Safety against electric shock is ensured by floating the power line on the side from the body.
JP 7-23505 A JP 2001-286196 A

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術では、双方向絶縁型昇降圧チョッパ回路４０によって昇圧された直流電圧を安定化するために、大容量コンデンサ２２の配置が必要となる。これにより、電源装置が大型化してしまうので、車内の居住性や収納性の面からコンパクト化および配置の自由度が高いことへの要求が強い車載用としては不利となる。 However, the technique disclosed in Patent Document 1 requires the arrangement of the large-capacitance capacitor 22 in order to stabilize the DC voltage boosted by the bidirectional insulation type buck-boost chopper circuit 40. Thereby, since a power supply device will enlarge, it becomes disadvantageous for the vehicle-mounted use with the strong request | requirement that compactness and the freedom degree of arrangement | positioning are high from the surface of the inhabitability and storage property in a vehicle.

さらに、インバータの入力側までは直流電圧を扱うため、電源装置内での直流部分の割合が高く、必然的に直流電圧を供給する配線長が長くなる。このため当該配線部分でのインダクタンスが大きくなり、インバータ等のスイッチング動作に伴うサージ電圧の増大や、スイッチング動作の高速化が阻害される可能性がある。 Further, since the DC voltage is handled up to the input side of the inverter, the ratio of the DC portion in the power supply device is high, and the wiring length for supplying the DC voltage is inevitably increased. For this reason, the inductance in the wiring portion increases, which may hinder increase in surge voltage accompanying switching operation of an inverter or the like and increase in switching operation speed.

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、交流モータを駆動制御する電源装置について、コンパクトでありかつ安全性の高い構成を提供することである。 The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a compact and highly safe configuration of a power supply device that drives and controls an AC motor. It is.

この発明に従う電源装置は、交流モータを駆動制御する電源装置であって、直流電源と、インバータと、変圧部とを備える。直流電源は、直流電圧を供給する。インバータは、直流電圧および交流電圧の間での電力変換を行なう。変圧部は、インバータによって変換された交流電圧を昇圧して、昇圧された交流電圧を交流モータへ印加する。 A power supply device according to the present invention is a power supply device that drives and controls an AC motor, and includes a DC power supply, an inverter, and a transformer. The DC power supply supplies a DC voltage. The inverter performs power conversion between a DC voltage and an AC voltage. The transformer unit boosts the AC voltage converted by the inverter and applies the boosted AC voltage to the AC motor.

好ましくは、変圧部は、インバータの出力電圧が印加されるように接続された一次巻線および交流モータの巻線と接続される二次巻線を有するトランスによって構成され、二次巻線は、一次巻線よりも巻数が多い。 Preferably, the transformer unit is constituted by a transformer having a primary winding connected so that the output voltage of the inverter is applied and a secondary winding connected to the winding of the AC motor, and the secondary winding is There are more turns than the primary winding.

あるいは好ましくは、直流電源は二次電池で構成され、交流モータの回生制動動作時において、交流モータによって発電された交流電圧は、変圧部によって降圧されてインバータへ与えられ、かつ、インバータは、降圧された交流電圧を二次電池の充電のための直流電圧に変換する。 Alternatively, preferably, the direct current power source is constituted by a secondary battery, and during the regenerative braking operation of the alternating current motor, the alternating voltage generated by the alternating current motor is stepped down by the transformer and applied to the inverter, and the inverter is stepped down. The AC voltage thus converted is converted into a DC voltage for charging the secondary battery.

この発明に従う自動車は、請求項１から３項のいずれかに記載の電源装置と、電源装置によって駆動制御される交流モータによって駆動可能な車輪とを備える。好ましくは、直流電源の負側は、自動車の車体によって接地される。 An automobile according to the present invention includes the power supply device according to any one of claims 1 to 3 and wheels that can be driven by an AC motor that is driven and controlled by the power supply device. Preferably, the negative side of the DC power source is grounded by the vehicle body.

また好ましくは、電源装置は、直流電源とインバータの間を電気的に接続する第１の給電線と、インバータと変圧部との間を電気的に接続する第２の給電線と、変圧部と交流モータとの間を電気的に接続する第３の給電線とをさらに備え、第２の給電線の配線長の総和は、第１および第３の給電線の配線長の総和の合計よりも長い。 Preferably, the power supply device includes a first power supply line that electrically connects the DC power source and the inverter, a second power supply line that electrically connects the inverter and the transformer, and a transformer. And a third feed line that is electrically connected to the AC motor, and the total length of the second feed lines is greater than the sum of the total lengths of the first and third feed lines. long.

この発明の電源装置は、昇圧後の電圧を直流電源の負側と切離した上で、直流電源からの直流電圧を昇圧して得られた高圧の交流電圧によって交流モータ駆動制御できる。これにより、直流電源の接地に特別な機構を設けなくても、昇圧された高電圧による感電の危険性が回避される。 The power supply apparatus according to the present invention can perform AC motor drive control with a high-voltage AC voltage obtained by boosting the DC voltage from the DC power supply after separating the boosted voltage from the negative side of the DC power supply. This avoids the risk of electric shock due to the boosted high voltage without providing a special mechanism for grounding the DC power supply.

さらに直流電源からの供給電圧を直接インバータの入力電圧とできるので、インバータの入力側に平滑コンデンサを設ける必要がないので、装置の小型化を図ることができる。 Further, since the supply voltage from the direct current power supply can be directly used as the input voltage of the inverter, it is not necessary to provide a smoothing capacitor on the input side of the inverter, so that the apparatus can be reduced in size.

さらに、直流電圧を扱う部分の割合を小さくできるので、配線部分でのインダクタンスによってインバータのスイッチング動作に生じる悪影響を抑制できる。 Furthermore, since the proportion of the portion that handles the DC voltage can be reduced, adverse effects caused in the switching operation of the inverter due to the inductance in the wiring portion can be suppressed.

また、トランスによって、変圧部を簡易な構成で実現できる。 Further, the transformer can be realized with a simple configuration by the transformer.

また、この発明によれば、交流モータの回生制動動作時に、交流モータによって発電された交流電圧によって、二次電池で構成された直流電源を充電できる。 Moreover, according to this invention, the DC power source comprised by the secondary battery can be charged with the alternating voltage generated by the alternating current motor at the time of the regenerative braking operation of the alternating current motor.

したがって、この発明の自動車によれば、直流電源の負側を、特別な機構を設けることなく、車体により接地（ボディアース）しても、高電圧による感電の危険性を招くことがない。 Therefore, according to the automobile of the present invention, even if the negative side of the DC power source is grounded (body earth) by the vehicle body without providing a special mechanism, there is no risk of electric shock due to high voltage.

さらに、インバータの入力側に平滑コンデンサを設ける必要がないので、電源装置が小型化される。したがって、この電源装置は、車内の居住性や収納性の面からコンパクト化および配置の自由度が高いことへの要求が強い車載用に適している。 Furthermore, since it is not necessary to provide a smoothing capacitor on the input side of the inverter, the power supply device can be reduced in size. Therefore, this power supply device is suitable for in-vehicle use where there is a strong demand for compactness and a high degree of freedom in arrangement from the viewpoint of comfort and storage in the vehicle.

また、この発明によれば、性能面および安全面から配線長が短いことが望ましい、直流部分の第１の給電線および高圧部分の第３の給電線を短くしても、低圧の交流電圧を供給する第２の給電線の配線長を長くとって電源装置の配置の自由度を確保できる。この面からも、この発明の電源装置は、自動車の給電システムを構成するための車載用として有利である。 In addition, according to the present invention, it is desirable that the wiring length is short from the viewpoint of performance and safety. Even if the first power supply line in the direct current portion and the third power supply line in the high voltage portion are shortened, a low alternating current voltage is generated. The wiring length of the second power supply line to be supplied can be increased to ensure the degree of freedom in arranging the power supply device. Also from this aspect, the power supply device of the present invention is advantageous for in-vehicle use for constituting an automobile power supply system.

以下において、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、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, about the same or equivalent part in a figure, the same code | symbol is attached | subjected and the description is not repeated.

図１は、この発明による電源装置の構成を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a power supply device according to the present invention.

図１を参照して、この発明による電源装置５は、低電圧バッテリ１０と、インバータ２０と、変圧部３０と、制御装置４０とを備える。 Referring to FIG. 1, power supply device 5 according to the present invention includes a low-voltage battery 10, an inverter 20, a transformer 30, and a control device 40.

電源装置５は、低電圧バッテリ１０から供給される直流電力および交流電力の間での電力変換を行なって、交流モータＭＧを駆動制御する。図１の例では、交流モータＭＧは、三相モータである。交流モータＭＧには、その回転位置および回転速度に相当するモータ角度θおよびモータ角速度ωを検出可能な位置センサ４３が設けられている。 The power supply device 5 performs power conversion between DC power and AC power supplied from the low-voltage battery 10 to drive and control the AC motor MG. In the example of FIG. 1, AC motor MG is a three-phase motor. The AC motor MG is provided with a position sensor 43 capable of detecting a motor angle θ and a motor angular speed ω corresponding to the rotational position and rotational speed.

「直流電源」である低電圧バッテリ１０は、代表的には、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池で構成される。低電圧バッテリ１０の正側は電源ライン１１と接続され、負側はアースライン１２と接続されて接地される。電源ライン１１およびアースライン１２は、低電圧バッテリ１０およびインバータ２０の間を電気的に接続する給電線４５によって構成される。 The low voltage battery 10 which is a “DC power supply” is typically composed of a secondary battery such as nickel metal hydride or lithium ion. The positive side of the low voltage battery 10 is connected to the power line 11 and the negative side is connected to the earth line 12 and grounded. The power supply line 11 and the earth line 12 are configured by a power supply line 45 that electrically connects the low voltage battery 10 and the inverter 20.

インバータ２０は、電源ライン２１およびアースライン２２との間に並列接続される、Ｕ相アーム２５、Ｖ相アーム２６と、Ｗ相アーム２７を含む。 Inverter 20 includes a U-phase arm 25, a V-phase arm 26, and a W-phase arm 27 connected in parallel between power supply line 21 and earth line 22.

一般にバッテリの出力電圧変動は小さいので、電源装置５では、インバータ２０の入力側に平滑用コンデンサの配置を省略することができる。このため、低電圧バッテリ１０によって供給される直流電圧Ｅ１が直接インバータ２０の入力電圧となる。すなわち、電源ライン１１および２１と、アースライン１２および２２とは、それぞれ共通の給電線で構成される。 In general, since the output voltage fluctuation of the battery is small, the power supply device 5 can omit the arrangement of the smoothing capacitor on the input side of the inverter 20. For this reason, the DC voltage E <b> 1 supplied by the low voltage battery 10 directly becomes the input voltage of the inverter 20. That is, the power supply lines 11 and 21 and the earth lines 12 and 22 are configured by a common power supply line.

Ｕ相アーム２５は、直列接続されたスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２から成る。スイッチング素子Ｑ１は電源ライン２１およびノードＮ１の間に接続され、スイッチング素子Ｑ２はノードＮ１およびアースライン２２の間に接続される。 U-phase arm 25 includes switching elements Q1, Q2 connected in series. Switching element Q1 is connected between power supply line 21 and node N1, and switching element Q2 is connected between node N1 and ground line 22.

同様に、Ｖ相アーム２６は、直列接続されたスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４から成る。スイッチング素子Ｑ３は電源ライン２１およびノードＮ２の間に接続され、スイッチング素子Ｑ４はノードＮ２およびアースライン２２の間に接続される。また、Ｗ相アーム２７は、直列接続されたスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６から成る。スイッチング素子Ｑ５は電源ライン２１およびノードＮ３の間に接続され、スイッチング素子Ｑ６はノードＮ３およびアースライン２２の間に接続される。 Similarly, V-phase arm 26 includes switching elements Q3 and Q4 connected in series. Switching element Q3 is connected between power supply line 21 and node N2, and switching element Q4 is connected between node N2 and ground line 22. W-phase arm 27 includes switching elements Q5 and Q6 connected in series. Switching element Q5 is connected between power supply line 21 and node N3, and switching element Q6 is connected between node N3 and ground line 22.

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）に代表されるパワー半導体素子が適用される。さらに、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６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ためのダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ接続されている。 For the switching elements Q1 to Q6, a power semiconductor element typified by an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is applied. Furthermore, diodes D1 to D6 for flowing current from the emitter side to the collector side are connected between the collector and emitter of each switching element Q1 to Q6.

変圧部３０は、変圧器（トランス）のみで構成され、給電線４６によってインバータ２０と電気的に接続される一次巻線３１，３２，３３と、給電線４７によって交流モータＭＧと電気的に接続される二次巻線３５，３６，３７とを含む。 Transformer 30 is composed only of a transformer (transformer), and is electrically connected to AC motor MG via primary windings 31, 32, and 33 that are electrically connected to inverter 20 by power supply line 46 and power supply line 47. Secondary windings 35, 36, and 37.

一次巻線３１、３２および３３の一端は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相アームのノードＮ１〜Ｎ３とそれぞれ電気的に接続される。一次巻線３１、３２および３３の他端は、共通のノードＮ４と接続される。 One ends of primary windings 31, 32 and 33 are electrically connected to nodes N1 to N3 of U, V and W phase arms, respectively. The other ends of the primary windings 31, 32 and 33 are connected to a common node N4.

同様に、二次巻線３５、３６および３７の一端は、交流モータＭＧの各相コイルの各相端に接続されている。また、二次巻線３５、３６および３７の他端は、共通のノードＮ５と接続される。たとえば、交流モータＭＧは、高トルク出力および高速回転が可能な、３相の永久磁石式ブラシレスモータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成される。 Similarly, one ends of secondary windings 35, 36 and 37 are connected to the phase ends of the phase coils of AC motor MG. The other ends of the secondary windings 35, 36 and 37 are connected to a common node N5. For example, AC motor MG is a three-phase permanent magnet brushless motor capable of high torque output and high-speed rotation, and is configured such that one end of three coils of U, V, and W phases are commonly connected to a midpoint. The

一次側に対して二次側が昇圧されるように、二次巻線３５，３６，３７の巻数は、一次巻線３１，３２，３３の巻数よりも多い。また、各一次巻線３１，３２，３３および各二次巻線３５，３６，３７の巻数比は、低電圧バッテリ１０からの直流電圧Ｅ１と交流モータＭＧの駆動に用いられる交流電圧の振幅との比に応じた所定の昇圧比に従って設計される。 The number of turns of the secondary windings 35, 36, 37 is larger than the number of turns of the primary windings 31, 32, 33 so that the secondary side is boosted with respect to the primary side. Further, the turns ratio of the primary windings 31, 32, 33 and the secondary windings 35, 36, 37 is determined by the amplitude of the DC voltage E1 from the low voltage battery 10 and the AC voltage used for driving the AC motor MG. It is designed according to a predetermined step-up ratio according to the ratio.

制御装置４０は、電源装置５の外からのトルク指令値Ｔｒｅｆ、電流センサ４１，４２からの相電流ｉｕ，ｉｗ、位置センサ４３からのモータ角度θおよびモータ角速度ωに基づいて、インバータ２０を駆動するための信号ＰＷＭＩ，ＰＷＭＣを生成する。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に対応して設けられたゲート駆動回路（図示せず）は、生成された信号ＰＭＷＩ，ＰＷＭＣに基づいて、対応のスイッチング素子のオン・オフを制御する。 The control device 40 drives the inverter 20 based on the torque command value Tref from the outside of the power supply device 5, the phase currents iu and iw from the current sensors 41 and 42, the motor angle θ and the motor angular velocity ω from the position sensor 43. To generate signals PWMI and PWMC. A gate drive circuit (not shown) provided corresponding to each of the switching elements Q1 to Q6 controls on / off of the corresponding switching element based on the generated signals PMWI and PWMC.

インバータ２０は、低電圧バッテリ１０から直流電圧Ｅ１が供給されると制御装置４０からの信号ＰＷＭＩに基づいて直流電圧Ｅ１を交流電圧に変換する。インバータ２０は昇圧機能を有していないので、インバータ２０の出力電圧は、振幅がＥ１の１／２の交流電圧である。 When the DC voltage E1 is supplied from the low voltage battery 10, the inverter 20 converts the DC voltage E1 into an AC voltage based on the signal PWMI from the control device 40. Since the inverter 20 does not have a boosting function, the output voltage of the inverter 20 is an AC voltage whose amplitude is ½ of E1.

この際における、インバータ２０の動作は、周知の３相電圧インバータと同様である。すなわち、インバータ２０のスイッチングパターンは、たとえば図２のように設定される。 The operation of the inverter 20 at this time is the same as that of a known three-phase voltage inverter. That is, the switching pattern of the inverter 20 is set as shown in FIG. 2, for example.

図２を参照して、電気角３６０°（２π）を１周期として、所定の動作モードＩ〜ＶＩが周期的に繰り返される。それぞれの動作モードにおいては、図１に示した交流電圧ｅ１に相当する所定の相電圧がＵ相，Ｖ相，Ｗ相にそれぞれ発生するように、オン信号が与えられるスイッチング素子が予め定められている。これにより、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相に１２０°ずつの位相差を有する相電流がそれぞれ生じる。また、各動作モードにおいて、上側アーム素子（スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５）のオン期間は、通常のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式に従って制御される。 Referring to FIG. 2, predetermined operation modes I to VI are periodically repeated with an electrical angle of 360 ° (2π) as one cycle. In each operation mode, a switching element to which an ON signal is given is determined in advance so that a predetermined phase voltage corresponding to the AC voltage e1 shown in FIG. 1 is generated in each of the U phase, the V phase, and the W phase. Yes. As a result, phase currents having a phase difference of 120 ° are generated in the U phase, the V phase, and the W phase, respectively. In each operation mode, the ON period of the upper arm elements (switching elements Q1, Q3, Q5) is controlled according to a normal PWM (Pulse Width Modulation) method.

インバータ２０によって一次巻線３１〜３３に発生された相電圧は、変圧部３０によって所定の昇圧比（ｅ２／ｅ１）で交流電圧ｅ２に昇圧されて、交流モータＭＧの各相コイルへ印加される。これにより、交流モータＭＧは、トルク指令値Ｔｒｅｆによって指定されたトルクを発生するように駆動される。 The phase voltage generated in the primary windings 31 to 33 by the inverter 20 is boosted to an AC voltage e2 at a predetermined boost ratio (e2 / e1) by the transformer 30, and applied to each phase coil of the AC motor MG. . Thereby, AC motor MG is driven so as to generate torque specified by torque command value Tref.

交流モータＭＧの回生制動時には、交流モータＭＧが発電した交流電圧は、変圧部３０によって降圧されて、一次巻線３１〜３３に印加される。制御装置４０は、交流モータＭＧが回生制動モードに入ったことを示す信号を外部から受けると、交流モータＭＧ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ＰＷＭＣを生成してインバータ２０へ出力する。 At the time of regenerative braking of AC motor MG, the AC voltage generated by AC motor MG is stepped down by transformer 30 and applied to primary windings 31-33. When receiving a signal indicating that AC motor MG has entered the regenerative braking mode from the outside, control device 40 generates a signal PWMC for converting the AC voltage generated by AC motor MG into a DC voltage to generate inverter 20. Output to.

インバータ２０は、一次巻線３１〜３３に印加された３相の交流電圧（降圧後）を制御装置４０からの信号ＰＷＭＣに基づいて直流電圧に変換する。この場合、インバータ２０のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６は信号ＰＷＭＣによってスイッチング制御される。すなわち、交流モータＭＧのＵ相で発電されるときスイッチング素子Ｑ４，Ｑ６がオンされ、Ｖ相で発電されるときスイッチング素子Ｑ２，Ｑ６がオンされ、Ｗ相で発電されるときスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４がオンされる。インバータ２０によって変換された直流電圧によって、低電圧バッテリ１０は充電される。 The inverter 20 converts the three-phase AC voltage (after step-down) applied to the primary windings 31 to 33 into a DC voltage based on the signal PWMC from the control device 40. In this case, switching elements Q2, Q4, and Q6 of inverter 20 are subjected to switching control by signal PWMC. That is, switching elements Q4 and Q6 are turned on when power is generated in the U phase of AC motor MG, switching elements Q2 and Q6 are turned on when power is generated in V phase, and switching elements Q2 and Q4 are generated when power is generated in W phase. Is turned on. The low voltage battery 10 is charged by the DC voltage converted by the inverter 20.

このような構成とすることにより、昇圧後の電圧を低電圧バッテリ１０の負側と切離した上で、低電圧バッテリ１０からの直流電圧Ｅ１から高圧の交流電圧を生成して、交流モータＭＧを駆動制御できる。 With this configuration, the boosted voltage is disconnected from the negative side of the low-voltage battery 10, and then a high-voltage AC voltage is generated from the DC voltage E1 from the low-voltage battery 10, and the AC motor MG is turned on. Drive control is possible.

ここで、比較のために、図１に示した電源装置と同様の機能を有し、変圧部（トランス）を設けることなく構成された電源装置の構成例を示す。 Here, for comparison, a configuration example of a power supply device having the same function as that of the power supply device shown in FIG. 1 and having no transformer (transformer) is shown.

図３を参照して、比較例として示される電源装置５♯は、図１に示した電源装置５と比較して、インバータ２０の出力側に設けられた変圧部３０に代えて、インバータ２０の入力側に設けられた昇圧チョッパ５０を備える。なお、図３においては、インバータ２０および昇圧チョッパ５０の制御装置の図示を省略している。 Referring to FIG. 3, power supply device 5 # shown as a comparative example is different from power supply device 5 shown in FIG. 1 in place of transformer unit 30 provided on the output side of inverter 20. A boost chopper 50 is provided on the input side. In FIG. 3, control devices for the inverter 20 and the boost chopper 50 are not shown.

昇圧チョッパ５０は、インダクタ５５と、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６と、ダイオードＤ５，Ｄ６とを含む。インダクタ１１は、低電圧バッテリ１０の電源ライン１１とノードＮ６の間に接続される。スイッチング素子Ｑ５は電源ライン２１とノードＮ６との間に接続され、スイッチング素子Ｑ６はノードＮ６とアースライン２２との間に接続される。 Boost chopper 50 includes an inductor 55, switching elements Q5 and Q6, and diodes D5 and D6. Inductor 11 is connected between power supply line 11 of low-voltage battery 10 and node N6. Switching element Q5 is connected between power supply line 21 and node N6, and switching element Q6 is connected between node N6 and ground line 22.

スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６は、制御装置（図示せず）からの制御信号に基づいて、所定のデューティ比で周期的に交互にオン・オフされる。スイッチング素子Ｑ６のオン期間にインダクタ５５に蓄えられたエネルギーを、スイッチング素子Ｑ５のオン期間に電源ライン２１へ供給することによって、上記デューティ比に応じた昇圧が行なわれる。 Switching elements Q5 and Q6 are alternately turned on and off periodically at a predetermined duty ratio based on a control signal from a control device (not shown). By supplying the energy stored in the inductor 55 during the ON period of the switching element Q6 to the power supply line 21 during the ON period of the switching element Q5, boosting according to the duty ratio is performed.

昇圧チョッパ５０の出力電圧Ｅ２は、低電圧バッテリ１０の出力電圧Ｅ１よりも高く、電源装置５における二次巻線３５〜３７に生じる交流電圧の振幅に対応して設定される。すなわち、昇圧チョッパ５０の昇圧比（Ｅ２／Ｅ１）は、低電圧バッテリ１０の出力電圧Ｅ１と交流モータＭＧの駆動に用いられる交流電圧振幅との比に応じて定められる。 The output voltage E2 of the step-up chopper 50 is higher than the output voltage E1 of the low voltage battery 10 and is set corresponding to the amplitude of the AC voltage generated in the secondary windings 35 to 37 in the power supply device 5. That is, the step-up ratio (E2 / E1) of the step-up chopper 50 is determined according to the ratio between the output voltage E1 of the low voltage battery 10 and the AC voltage amplitude used for driving the AC motor MG.

インバータ２０は、昇圧チョッパ５０で昇圧された直流電圧Ｅ２を入力電圧として、直流−交流間の電圧変換を行なう。交流モータＭＧの各相コイルは、Ｕ，Ｖ，Ｗ相２５〜２７の中間ノードＮ１〜Ｎ３と接続され、インバータ２０の出力電圧を印加されて駆動制御される。 The inverter 20 performs DC-AC voltage conversion using the DC voltage E2 boosted by the boost chopper 50 as an input voltage. Each phase coil of AC motor MG is connected to intermediate nodes N1 to N3 of U, V, and W phases 25 to 27, and is driven and controlled by applying the output voltage of inverter 20.

電源装置５♯では、出力電圧Ｅ２がスイッチング動作を伴って生成されるため、インバータ２０の出力電圧振幅を安定させるために、電源ライン２１およびアースライン２２の間に平滑コンデンサ６０の配置が必要となる。 In power supply device 5 #, output voltage E2 is generated with a switching operation. Therefore, in order to stabilize the output voltage amplitude of inverter 20, smoothing capacitor 60 must be arranged between power supply line 21 and ground line 22. Become.

また、低電圧バッテリ１０の負側は、昇圧後の高電圧部分のアースライン２２と共通に接続されるので、安全面から、低電圧バッテリ１０の接地に特別な機構を設ける必要が生じる。 Moreover, since the negative side of the low voltage battery 10 is connected in common with the ground line 22 of the high voltage part after boosting, it is necessary to provide a special mechanism for grounding the low voltage battery 10 from the safety aspect.

さらに、低電圧バッテリ１０からインバータ２０の入力までが直流部分であり、かつ、インバータ２０の出力と交流モータＭＧとの間は高電圧が供給されるので、それぞれの配線長を短くすることが望ましいので、配置上の自由度が低くなる。 Furthermore, since the DC portion is from the low voltage battery 10 to the input of the inverter 20, and a high voltage is supplied between the output of the inverter 20 and the AC motor MG, it is desirable to shorten the length of each wiring. Therefore, the degree of freedom in arrangement becomes low.

図１および図３の比較からも理解されるように、この発明に従う電源装置５では、昇圧後の電圧が低電圧バッテリ１０の負側と切離されているので、低電圧バッテリ１０の接地に特別な機構を設けなくても、感電の危険性が抑制される。 As can be understood from the comparison between FIG. 1 and FIG. 3, in the power supply device 5 according to the present invention, the boosted voltage is disconnected from the negative side of the low voltage battery 10. Even if no special mechanism is provided, the risk of electric shock is suppressed.

また、出力電圧変動の小さいバッテリからの供給電圧を直接インバータの入力電圧とできるので、平滑コンデンサを設ける必要がない。 Further, since the supply voltage from the battery with small output voltage fluctuation can be directly used as the input voltage of the inverter, it is not necessary to provide a smoothing capacitor.

さらに、電源装置５では、インダクタンス面から配線長を短くすることが望ましい直流電圧の供給線が給電線４５のみであり、直流部分が少ない。したがって、当該給電線でのインダクタンスによってインバータ２０のスイッチング動作に生じる悪影響を抑制できる。 Further, in the power supply device 5, the supply line for the DC voltage, which is desirable to shorten the wiring length from the inductance surface, is only the power supply line 45, and the DC portion is small. Therefore, an adverse effect on the switching operation of the inverter 20 due to the inductance in the power supply line can be suppressed.

また、インバータ２０の出力から変圧部３０までは低電圧の交流部分であるので、給電線４６の配線長を長くとっても問題がない。このため、配置上の自由度が高くなる。 Further, since the output from the inverter 20 to the transformer 30 is a low-voltage AC portion, there is no problem even if the power supply line 46 is made long. For this reason, the freedom degree on arrangement becomes high.

この発明による電源装置は、ハイブリッド自動車、電気自動車または燃料電池自動車等の、交流モータによって車輪の少なくとも一部を駆動制御可能な自動車に搭載可能である。 The power supply device according to the present invention can be mounted on a vehicle such as a hybrid vehicle, an electric vehicle, or a fuel cell vehicle that can drive and control at least a part of wheels by an AC motor.

図４は、この発明による電源装置が搭載された自動車の構成を示す概略ブロック図である。 FIG. 4 is a schematic block diagram showing the configuration of an automobile equipped with the power supply device according to the present invention.

図４を参照して、この発明の実施の形態による自動車１００は、バッテリ１１０と、ＰＣＵ（Power Control Unit）１２０と、動力出力装置１３０と、ディファレンシャルギア（ＤＧ：Differential Gear）１４０と、前輪１５０Ｌ，１５０Ｒと、後輪１６０Ｌ，１６０Ｒと、フロントシート１７０Ｌ，１７０Ｒと、リアシート１８０とを備える。 Referring to FIG. 4, automobile 100 according to the embodiment of the present invention includes a battery 110, a PCU (Power Control Unit) 120, a power output device 130, a differential gear (DG) 140, and a front wheel 150L. , 150R, rear wheels 160L, 160R, front seats 170L, 170R, and a rear seat 180.

バッテリ１１０は、図１での低電圧バッテリ１０に相当し、ＰＣＵ（Power Control Unit）１２０は、図１に示した電源装置５のうちのインバータ２０および制御装置４０を含む（図示せず）。 The battery 110 corresponds to the low voltage battery 10 in FIG. 1, and the PCU (Power Control Unit) 120 includes the inverter 20 and the control device 40 of the power supply device 5 shown in FIG. 1 (not shown).

動力出力装置１３０は、エンジンおよび／またはモータジェネレータによる動力をＤＧ１４０を介して前輪１５０Ｌ，１５０Ｒに伝達して前輪１５０Ｌ，１５０Ｒを駆動する。また、動力出力装置１３０は、前輪１５０Ｌ，１５０Ｒの回転力によって発電し、その発電した電力をＰＣＵ１２０へ供給する。 The power output device 130 transmits power from the engine and / or motor generator to the front wheels 150L and 150R via the DG 140 to drive the front wheels 150L and 150R. The power output device 130 generates power with the rotational force of the front wheels 150L and 150R, and supplies the generated power to the PCU 120.

ＰＣＵ１２０は、動力出力装置１３０と電気的に接続される。動力出力装置１３０は、ＤＧ１４０と連結される。ＤＧ１４０は、動力出力装置１３０からの動力を前輪１５０Ｌ，１５０Ｒに伝達するとともに、前輪１５０Ｌ，１５０Ｒの回転力を動力出力装置１３０へ伝達する。 The PCU 120 is electrically connected to the power output device 130. The power output device 130 is connected to the DG 140. The DG 140 transmits the power from the power output device 130 to the front wheels 150L and 150R, and transmits the rotational force of the front wheels 150L and 150R to the power output device 130.

動力出力装置１３０は、ダッシュボード１９０よりも前側のエンジンルームに配置され、図１に示した交流モータＭＧに相当するモータジェネレータ（図示せず）を含む。また、図１に示した電源装置５のうちの変圧部（トランス）３０は、安全面から高圧部分の配線長を短くするために、モータジェネレータに近接して配置される。 Power output device 130 is disposed in the engine room in front of dashboard 190, and includes a motor generator (not shown) corresponding to AC motor MG shown in FIG. In addition, the transformer unit (transformer) 30 in the power supply device 5 shown in FIG. 1 is arranged in the vicinity of the motor generator in order to shorten the wiring length of the high-voltage part from the safety aspect.

バッテリ１１０は、直流電圧をＰＣＵ１２０へ供給するとともに、ＰＣＵ１２０からの直流電圧によって充電される。 The battery 110 supplies a DC voltage to the PCU 120 and is charged by the DC voltage from the PCU 120.

ＰＣＵ１２０は、バッテリ１１０からの直流電圧を交流電圧に変換する。動力出力装置１３０に含まれるモータジェネレータは、変圧部３０によって昇圧された交流電圧によって駆動制御される。特に、ＰＣＵ１２０では、バッテリ１１０からの供給電圧を直接インバータの入力電圧とできるので、平滑コンデンサを設ける必要がなく小型化可能である。 The PCU 120 converts the DC voltage from the battery 110 into an AC voltage. The motor generator included in the power output device 130 is driven and controlled by the AC voltage boosted by the transformer 30. In particular, in the PCU 120, since the supply voltage from the battery 110 can be directly used as the input voltage of the inverter, it is not necessary to provide a smoothing capacitor and can be downsized.

また、回生制動動作時には、動力出力装置１３０に含まれるモータジェネレータが発電した交流電圧は、変圧部３０によって降圧された後、ＰＣＵ１２０によって直流電圧に変換されて、バッテリ１１０を充電する。 Further, during the regenerative braking operation, the AC voltage generated by the motor generator included in the power output device 130 is stepped down by the transformer 30 and then converted into a DC voltage by the PCU 120 to charge the battery 110.

バッテリ１１０およびＰＣＵ１２０を近接して配置することにより、直流部分の給電線（図１における給電線４５）の配線長を短くできる。また、モータジェネレータおよび変圧部３０を近接して配置することにより、高圧部分の給電線（図１における給電線４７）の配線長を短くできる。たとえば、直流部分の給電線の配線長の総和および高圧部分の給電線の配線長の総和の合計が、ＰＣＵ１２０および変圧部３０間の低圧部分の給電線（図１における給電線４６）よりも短いような配置とすることができる。これにより、低圧部分の給電線が長くなるが、この部分では低圧の交流電圧が伝達されるので、安全面および性能面の両方から問題を招くことがない。 By arranging the battery 110 and the PCU 120 close to each other, the wiring length of the DC portion of the feeder line (the feeder line 45 in FIG. 1) can be shortened. Further, by arranging the motor generator and the transformer 30 close to each other, the wiring length of the high-voltage power supply line (power supply line 47 in FIG. 1) can be shortened. For example, the sum of the total wiring length of the DC power supply lines and the total wiring length of the high-voltage power supply lines is shorter than the low-voltage power supply line (the power supply line 46 in FIG. 1) between the PCU 120 and the transformer 30. Such an arrangement can be adopted. As a result, the power supply line in the low-voltage portion becomes long. However, since a low-voltage AC voltage is transmitted in this portion, there is no problem in terms of both safety and performance.

さらに、バッテリ１１０の負側を、通常のバッテリ等と同様に、特別な機構を設けることなく、車体により接地（ボディアース）しても、感電の危険性を招くことがない。 Furthermore, even if the negative side of the battery 110 is grounded (body grounding) by the vehicle body without providing a special mechanism as in the case of a normal battery or the like, there is no risk of electric shock.

このように、この発明による電源装置は、大容量の平滑コンデンサを必要とせずコンパクト化が図れる点、特別な接地機構を設けることなく高圧による感電の危険性を回避できる点、および、配置の自由度が高い点から、自動車の給電システムを構成するための車載用として有利である。 As described above, the power supply device according to the present invention can be made compact without requiring a large-capacity smoothing capacitor, can avoid the risk of electric shock due to high voltage without providing a special grounding mechanism, and can be freely arranged. From the point of high degree, it is advantageous for in-vehicle use for constituting a power supply system of an automobile.

なお、本発明の実施の形態においては、三相モータを駆動制御する電源装置を代表的に示したが、本願発明の適用はこのような場合に限定されるものではない。すなわち、本願発明は、負荷となる交流モータの種類を特に限定することなく、電源装置およびそれを備える自動車に適用可能である。 In the embodiment of the present invention, the power supply device that drives and controls the three-phase motor is representatively shown. However, the application of the present invention is not limited to such a case. That is, the present invention can be applied to a power supply device and an automobile equipped with the power supply device without particularly limiting the type of AC motor serving as a load.

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。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

この発明による電源装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the power supply device by this invention. 図１に示したインバータの動作を説明する図である。It is a figure explaining operation | movement of the inverter shown in FIG. 比較例として示される昇圧機能を有する電源装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the power supply device which has a pressure | voltage rise function shown as a comparative example. この発明による電源装置が搭載された自動車の構成を示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the structure of the motor vehicle carrying the power supply device by this invention.

Explanation of symbols

５電源装置、１０低電圧バッテリ、１１，２１電源ライン、１２，２２アースライン、２０インバータ、３０変圧部（トランス）、４０制御装置、３１，３２，３３一次巻線、３５，３６，３７二次巻線、４５〜４７給電線、１１０バッテリ、１２０ＰＣＵ、１３０動力出力装置、１５０Ｌ，１５０Ｒ前輪、１６０Ｌ，１６０Ｒ後輪、１００自動車、ＭＧ交流モータ、Ｑ１〜Ｑ６スイッチング素子。 5 Power supply, 10 Low voltage battery, 11, 21 Power supply line, 12, 22 Earth line, 20 Inverter, 30 Transformer (transformer), 40 Control device, 31, 32, 33 Primary winding, 35, 36, 37 Two Next winding, 45 to 47 feeder line, 110 battery, 120 PCU, 130 power output device, 150L, 150R front wheel, 160L, 160R rear wheel, 100 automobile, MG AC motor, Q1-Q6 switching element.

Claims

A power supply device for driving and controlling an AC motor,
A DC power supply for supplying DC voltage;
An inverter that performs power conversion between the DC voltage and the AC voltage;
A power supply apparatus, comprising: a transformer for boosting the AC voltage converted by the inverter and applying the boosted AC voltage to the AC motor.

The transformer unit is constituted by a transformer having a primary winding connected so that an output voltage of the inverter is applied and a secondary winding connected to the winding of the AC motor,
The power supply device according to claim 1, wherein the secondary winding has more turns than the primary winding.

The DC power source is composed of a secondary battery,
During the regenerative braking operation of the AC motor, the AC voltage generated by the AC motor is stepped down by the transformer and applied to the inverter, and the inverter supplies the stepped-down AC voltage to the secondary battery. The power supply device according to claim 1, wherein the power supply device converts the voltage into a DC voltage for charging.

The power supply device according to any one of claims 1 to 3,
An automobile comprising: a wheel that can be driven by the AC motor that is driven and controlled by the power supply device.

The automobile according to claim 4, wherein a negative side of the DC power source is grounded by a body of the automobile.

The power supply device
A first feed line that electrically connects the DC power supply and the inverter;
A second feed line that electrically connects the inverter and the transformer;
A third feed line electrically connecting the transformer and the AC motor;
5. The vehicle according to claim 4, wherein a total sum of wiring lengths of the second power supply lines is longer than a total sum of wiring lengths of the first and third power supply lines.