JP2024115454A - On-board charging equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車載充電装置に関する。 The present invention relates to an on-board charging device.
特表２０２２－５０３７１３号には、電気自動車やハイブリッド自動車などの車輪の駆動力源として回転電機を備えた車両に搭載された直流電源を、車両に搭載された状態で充電する車載充電装置（オンボードチャージャー、Onboard charger）が開示されている（背景技術において括弧内の符号は参照する文献のもの。）。この文献の図３には、単相の外部交流電源（３１０）がＹ字接続された３相のコイルの中性点に接続され、当該３相のコイルのそれぞれにインバータ（２２０）の交流側のそれぞれのアームが接続され、インバータ（２２０）の直流側端子に直流直流コンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）の入力側端子が接続され、直流直流コンバータの出力側端子に直流電源が接続された車載充電装置が例示されている。３相のコイル及びインバータ（２２０）は、外部交流電源（３１０）からの正弦波のグリッド電流を直流に変換する交流直流コンバータ（ＡＣ／ＤＣコンバータ）を形成している。インバータ（２２０）がスイッチング制御されることにより、この交流直流コンバータは交流電力から変換される直流電力の力率を改善する力率改善（ＰＦＣ：power factor correction）回路としても機能する。交流直流変換後の電流には、外部交流電源（３１０）の周波数（系統周波数）の２倍の周波数のリップルが生じる。直流直流コンバータは、このリップルを低減して直流電源を充電するためのバッテリ電流を生成する。 JP2022-503713 discloses an onboard charging device (onboard charger) that charges a DC power source mounted on a vehicle equipped with a rotating electric machine as a driving force source for wheels such as an electric vehicle or a hybrid vehicle while the vehicle is mounted on the vehicle (reference symbols in parentheses in the background art are those of the referenced document). Figure 3 of this document illustrates an onboard charging device in which a single-phase external AC power source (310) is connected to the neutral point of a Y-connected three-phase coil, each of the three phase coils is connected to each AC side arm of an inverter (220), the input side terminal of a DC/DC converter is connected to the DC side terminal of the inverter (220), and the DC power source is connected to the output side terminal of the DC/DC converter. The three-phase coil and the inverter (220) form an AC/DC converter that converts a sine wave grid current from the external AC power source (310) into DC. By controlling the switching of the inverter (220), this AC-DC converter also functions as a power factor correction (PFC) circuit that improves the power factor of the DC power converted from the AC power. The current after AC-DC conversion generates ripples with a frequency twice the frequency (system frequency) of the external AC power source (310). The DC-DC converter reduces this ripple and generates a battery current for charging the DC power source.
ここで、例えば電気自動車やハイブリッド自動車における車載充電装置では、３相のコイルとして、当該車両における駆動力源の回転電機のステータに備えられたコイル（ステータコイル）を用いることができる。しかし、このような回転電機は、高電力密度となるように設計されており、インダクタンスが小さい。上記文献の図３にも例示されているように、中性点に単相の外部交流電源が接続されて交流直流コンバータが形成された場合、交流直流変換の際に、外部交流電源の系統電流の高調波電流のピーク値が大きくなる傾向がある。 Here, for example, in an on-board charging device for an electric vehicle or hybrid vehicle, a coil (stator coil) provided in the stator of a rotating electric machine that is the driving force source in the vehicle can be used as the three-phase coil. However, such rotating electric machines are designed to have high power density and have low inductance. As illustrated in Figure 3 of the above document, when a single-phase external AC power source is connected to the neutral point to form an AC-DC converter, the peak value of the harmonic current in the system current of the external AC power source tends to be large during AC-DC conversion.
これを抑制するための１つの方法として、交流直流コンバータを構成するインバータの制御周波数を高くすることが考えられる。或いは、直流直流コンバータの側でリップルを軽減するべく、直流直流コンバータの制御周波数を高くことが考えられる。但し、制御周波数を高くする場合には、インバータや直流直流コンバータを制御する制御装置の制御周期（動作周波数）も短くする必要がある。また、早い制御周期に伴う高い周波数でのスイッチングは、インバータ及び直流直流コンバータが備えるスイッチング素子における損失を増大させ、車載充電装置の効率の低下に繋がる。また、制御装置として、高速動作が可能なマイクロコンピュータ等を用いる必要が生じ、車載充電装置のコストの上昇に繋がる。あるいは別の方法として、外部交流電源と複数相のコイルの中性点との間に、インダクタを追加することも考えられる。しかし、この場合も、インダクタの追加により車載充電装置のコストが上昇する。 One method to suppress this is to increase the control frequency of the inverter that constitutes the AC-DC converter. Alternatively, to reduce ripples on the DC-DC converter side, it is possible to increase the control frequency of the DC-DC converter. However, when the control frequency is increased, it is necessary to shorten the control period (operating frequency) of the control device that controls the inverter and the DC-DC converter. In addition, switching at a high frequency due to a fast control period increases the loss in the switching elements of the inverter and the DC-DC converter, leading to a decrease in the efficiency of the vehicle-mounted charging device. In addition, it becomes necessary to use a microcomputer or the like capable of high-speed operation as the control device, which leads to an increase in the cost of the vehicle-mounted charging device. Alternatively, as another method, it is possible to add an inductor between the external AC power source and the neutral point of the coils of the multiple phases. However, in this case, the addition of the inductor also increases the cost of the vehicle-mounted charging device.
上記に鑑みて、回転電機とインバータと直流電源とを備えた車両用駆動装置の当該直流電源を、当該回転電機のコイル及び当該インバータを利用して、外部交流電源からの電力により充電する車載充電装置をシステムコストの増加を抑制して構成することが望まれる。 In view of the above, it is desirable to configure an on-board charging device that charges the DC power supply of a vehicle drive device that includes a rotating electric machine, an inverter, and a DC power supply using the coil of the rotating electric machine and the inverter with power from an external AC power supply while suppressing increases in system costs.
上記に鑑みた車載充電装置は、中性点で互いに接続された複数相のコイルを備え、車輪の駆動力源となる回転電機と、直流と複数相の交流との間で電力を変換するインバータと、前記インバータに接続された直流電源と、を備えた車両用駆動装置の前記直流電源を、単相の外部交流電源から供給される電力によって充電する車載充電装置であって、前記外部交流電源からの交流電力を直流電力に変換する交流直流コンバータと、前記インバータと複数相の前記コイルとにより構成され、前記インバータの直流側端子と複数相の前記コイルの前記中性点との一方が第１端子であり、他方が第２端子である直流直流コンバータと、を備え、前記交流直流コンバータの交流側端子は、前記外部交流電源に接続され、前記交流直流コンバータの直流側端子は、前記直流直流コンバータの前記第１端子に接続され、 前記直流直流コンバータの前記第２端子は、前記直流電源に接続されている。 In view of the above, the vehicle-mounted charging device is an on-board charging device that charges the DC power supply of a vehicle drive device that includes a rotating electric machine that serves as a driving force source for wheels, an inverter that converts power between DC and multiple-phase AC, and a DC power supply connected to the inverter, with power supplied from a single-phase external AC power supply, and is configured with an AC-DC converter that converts AC power from the external AC power supply into DC power, the inverter, and the multiple-phase coils, and a DC-DC converter in which one of the DC side terminal of the inverter and the neutral point of the multiple-phase coils is a first terminal and the other is a second terminal, and the AC side terminal of the AC-DC converter is connected to the external AC power supply, the DC side terminal of the AC-DC converter is connected to the first terminal of the DC-DC converter, and the second terminal of the DC-DC converter is connected to the DC power supply.
この構成によれば、車載充電装置を構成する交流直流コンバータと直流直流コンバータとの内、適切なインダクタンスが必要な交流直流コンバータが、回転電機の駆動系回路（回転電機のコイル及び回転電機を駆動するインバータ）を用いることなく構成される。車載充電装置に回転電機のコイルを用いる場合、当該コイルのイダクタンスが小さいことにより、必要な性能を確保することが困難となる場合がある。しかし、本構成によれば、回転電機のコイルを用いることなく、適切なインダクタンスが設定可能な交流直流コンバータにより、力率改善機能などの充分な性能を確保して交流直流変換が可能な交流直流コンバータを構成することができる。また、高いインダクタンスが必要ない直流直流コンバータを、回転電機の駆動系回路を用いて構成することができ、車載充電装置のコストを低減することができる。さらに、交流直流コンバータに適切なインダクタンスを設定可能なことにより、交流直流コンバータを短い制御周期（高い制御周波数）で制御する必要もなく、交流直流コンバータを構成するスイッチング素子の損失も低減し易い。従って、車載充電装置のシステム効率も高くし易い。このように、本構成によれば、回転電機とインバータと直流電源とを備えた車両用駆動装置の当該直流電源を、当該回転電機のコイル及び当該インバータを利用して、外部交流電源からの電力により充電する車載充電装置をシステムコストの増加を抑制して構成することができる。 According to this configuration, the AC-DC converter, which requires an appropriate inductance, among the AC-DC converter and the DC-DC converter that constitute the in-vehicle charging device, is configured without using the drive circuit of the rotating electric machine (the coil of the rotating electric machine and the inverter that drives the rotating electric machine). When the coil of the rotating electric machine is used in the in-vehicle charging device, it may be difficult to ensure the required performance due to the small inductance of the coil. However, according to this configuration, an AC-DC converter that can be configured to have an appropriate inductance without using the coil of the rotating electric machine and can perform AC-DC conversion while ensuring sufficient performance such as a power factor correction function can be configured by the AC-DC converter that can set an appropriate inductance. In addition, a DC-DC converter that does not require high inductance can be configured using the drive circuit of the rotating electric machine, and the cost of the in-vehicle charging device can be reduced. Furthermore, since it is possible to set an appropriate inductance in the AC-DC converter, it is not necessary to control the AC-DC converter with a short control period (high control frequency), and the loss of the switching elements that constitute the AC-DC converter can be easily reduced. Therefore, it is easy to increase the system efficiency of the in-vehicle charging device. In this way, with this configuration, it is possible to configure an on-board charging device that uses the coil of the rotating electric machine and the inverter to charge the DC power supply of a vehicle drive device equipped with a rotating electric machine, an inverter, and a DC power supply with power from an external AC power supply, while suppressing increases in system costs.
車載充電装置のさらなる特徴と利点は、図面を参照して説明する例示的且つ非限定的な実施形態についての以下の記載から明確となる。 Further features and advantages of the on-board charging device will become apparent from the following description of exemplary, non-limiting embodiments, which are illustrated in the drawings.
以下、車載充電装置の実施形態を図面も参照して説明する。車載充電装置１０は、図１に示すような車両用駆動装置９に備えられた直流電源３を、車両に搭載された状態で充電する装置である。図１は、車両用駆動装置９に含まれる回転電機７０の駆動制御システムの模式的な回路ブロック図であり、図２は、車載充電装置１０のシステム構成の模式的ブロック図である。図１に示すように、本実施形態の車両用駆動装置９は、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車輪の駆動力源となる回転電機７０と、直流と複数相の交流との間で電力を変換するインバータ５と、インバータ５に接続された直流電源３とを備えている。尚、車両用駆動装置９が、回転電機７０に加えて不図示の内燃機関などの他の駆動力源も備えていることを妨げるものではない。図２に示すように、車載充電装置１０は、車両用駆動装置９の直流電源３を、単相の外部交流電源４（グリッド電源）から供給される電力によって充電する装置であり、いわゆるオンボードチャージャー（Onboard charger）と称される装置である。本実施形態では、車載充電装置１０は、車両用駆動装置９と一部を共用して構成されている。具体的には、インバータ５、回転電機７０のコイル７が共用されている。好ましくは、後述するように、インバータ５を駆動する制御装置８や、直流電圧を平滑する平滑コンデンサ（直流リンクコンデンサ６）も共用されている。
Hereinafter, an embodiment of the vehicle-mounted charging device will be described with reference to the drawings. The vehicle-mounted
図１に示すように、車両用駆動装置９は、車両の駆動力源となる回転電機７０を制御対象とする制御装置８を備え、制御装置８は、電流フィードバック制御を行うことによって回転電機７０を駆動制御する。駆動対象の回転電機７０は、ステータコアに複数相（Ｎを任意の自然数としてＮ相、本実施形態ではＮ＝３の３相の形態を例示する）のコイル７（ステータコイル）が配置されたステータと、ロータコアに永久磁石が配置されたロータとを有する埋め込み永久磁石型回転電機（IPMSM : Interior Permanent Magnet Synchronous Motor）である。このような構成は公知であり、本実施形態では、ステータコア、ステータ、ロータコア、ロータ、永久磁石等の図示は省略している。本実施形態では、３相のコイル７（Ｕ相コイル７ｕ、Ｖ相コイル７ｖ、Ｗ相コイル７ｗ：図２～図４等参照）が中性点７Ｎで短絡されたＹ型の形態を例示している。しかし、回転電機７０は、例えば３相のコイル７を２組備え、６相の交流により駆動される形態であってもよい。尚、回転電機７０は、電動機としても発電機としても機能することができる。回転電機７０が電動機として機能するとき、回転電機７０は力行状態であり、回転電機７０が発電機として機能するとき、回転電機７０は回生状態である。
As shown in FIG. 1, the
図１に示すように、車両用駆動装置９は、インバータ５を備えている（図３、図４等も参照）。インバータ５は、交流の回転電機７０及び直流電源３に接続されて、複数相の交流と直流との間で電力を変換する。インバータ５の一対の直流側端子（直流リンク端子Ｔ５ｄ）は、直流電源３の正負両極端子に接続されている。具体的には、一対の直流リンク端子Ｔ５ｄの内の正極側の端子（直流リンク正極端子Ｔ５Ｐ）が直流電源３の正極に接続され、一対の直流リンク端子Ｔ５ｄの内の負極側の端子（直流リンク負極端子Ｔ５Ｎ）が直流電源３の負極に接続されている。また、インバータ５の複数相の交流側端子（コイル側端子Ｔ５ａ）は、複数相のコイル７のそれぞれに接続されている。本実施形態では、インバータ５が、複数相のアームとして、Ｕ相アーム、Ｖ相アーム、Ｗ相アームを備えており、それぞれのアームの中点がコイル側端子Ｔ５ａに接続されている。Ｕ相アームの中点とＵ相コイル７ｕとが接続され、Ｖ相アームの中点とＶ相コイル７ｖとが接続され、Ｗ相アームの中点とＷ相コイル７ｗとが接続される。
As shown in FIG. 1, the
インバータ５の直流側には、正極と負極との間の電圧（直流リンク電圧Ｖｄｃ）を平滑する平滑コンデンサ（直流リンクコンデンサ６）が備えられている。また、インバータ５の直流側には、直流リンク電圧Ｖｄｃを検出する電圧センサ（直流リンク電圧センサ６１）も備えられている。
The DC side of the
直流電源３は、例えば、リチウムイオン電池などの充電可能な二次電池（バッテリ）や、電気二重層キャパシタなどにより構成されている。本実施形態のように、回転電機７０が車両の駆動力源の場合、直流電源３は、大電圧大容量の直流電源であり、定格の電源電圧は、例えば２００～４００［Ｖ］である。また、直流電源３には、直流電源３に対する入出力電流（バッテリ電流）を検出する電流センサ（バッテリ電流センサ３１）や、直流電源３の端子電圧（バッテリ電圧）を検出する電圧センサ（バッテリ電圧センサ３２）も備えられている。
The
図示は省略するが、例えば直流電源３がリチウムイオンバッテリなどの場合には、ＢＭＳ（バッテリマネジメントシステム（Battery Management System））が備えられていることが多い。リチウムイオンバッテリなどの二次電池は、複数のセル（バッテリセル）により構成されている。ＢＭＳは、（１）セルの過充電、過放電の防止、（２）セルに過電流が流れることの防止、（３）セルの温度管理、（４）充電状態（ＳＯＣ：State of Charge）の算出、（５）セル電圧の均一化、等を行うバッテリの管理制御システムである。上述したバッテリ電流センサ３１やバッテリ電圧センサ３２は、ＢＭＳの一部として構成されていてもよい。
Although not shown, for example, when the
図３、図４等に示すように、インバータ５は、複数のスイッチング素子５Ｓを有して構成されている。スイッチング素子５Ｓには、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ（Silicon Carbide - Metal Oxide Semiconductor FET）やＳｉＣ－ＳＩＴ（SiC - Static Induction Transistor）、ＧａＮ－ＭＯＳＦＥＴ（Gallium Nitride - MOSFET）などの高周波での動作が可能なパワー半導体素子を適用すると好適である。本実施形態では、スイッチング素子５ＳとしてＦＥＴが用いられる形態を例示している。尚、各スイッチング素子５Ｓは、負極から正極へ向かう方向（下段側から上段側へ向かう方向）を順方向として、並列にフリーホイールダイオードを備えている。
As shown in FIG. 3 and FIG. 4, the
図１に示すように、インバータ５は、制御装置８により制御される。制御装置８は、マイクロコンピュータ等の論理回路を中核部材として構築されている。例えば、制御装置８は、上位の制御装置の１つである車両制御装置９０等の他の制御装置等から要求信号として提供される回転電機７０の目標トルク（トルク指令）に基づいて、ベクトル制御法を用いた電流フィードバック制御を行って、インバータ５を介して回転電機７０を駆動する。ベクトル制御法では、各相のコイル７に流れる電流（本実施形態ではＵ相電流Ｉｕ，Ｖ相電流Ｉｖ，Ｗ相電流Ｉｗ：図３、図４等参照）を、ロータに配置された永久磁石が発生する磁界の方向であるｄ軸と、ｄ軸に直交する方向（磁界の向きに対して電気角でπ／２進んだ方向）のｑ軸とのベクトル成分に座標変換してフィードバック制御を行う。座標変換先の座標系をｄｑ軸直交座標系と称する。尚、マイクロコンピュータ等の論理回路素子の動作電圧は３．３～５ボルト程度である。本実施形態では、簡略化のため、図示を省略しているが、当該論理回路素子で生成された制御信号はドライブ回路を介してインバータ５に伝達される。或いは、制御装置８にドライブ回路が含まれると考えてもよい。
As shown in FIG. 1, the
回転電機７０の各相のコイル７を流れる実電流は電流センサ（モータ電流センサ８１）により検出され、制御装置８はその検出結果を取得する。また、回転電機７０のロータの各時点での磁極位置（電気角）やロータの回転速度（角速度）は、例えばレゾルバなどの回転センサ８２により検出され、制御装置８はその検出結果を取得する。制御装置８は、モータ電流センサ８１及び回転センサ８２の検出結果を用いて、電流フィードバック制御を実行する。制御装置８は、電流フィードバック制御のために種々の機能部を有して構成されており、各機能部は、マイクロコンピュータ等のハードウエアとソフトウエア（プログラム）との協働により実現される。
The actual current flowing through the
上述したように、インバータ５を介して直流電源３に接続される回転電機７０は、直流電源３から供給される電力により電動機として機能すると共に、発電機として機能して直流電源３を充電することもできる。例えば、ハイブリッド自動車では内燃機関などの動力により、回転電機７０に機械エネルギーを供給して回転電機７０に発電させることも可能であるが、発電の機会が少なく直流電源３を充分に充電できない場合がある。また、駆動力源として回転電機７０しか搭載されていない電気自動車では、慣性走行等における車輪からの機械エネルギーによる発電に留まり、直流電源３を充分に充電できないことが多い。また、ハイブリッド自動車においても、回転電機７０に発電させるよりも外部から電力を供給する方が、エネルギー効率がよい場合がある。このため、直流電源３が車両に搭載された状態で、直流電源３を外部電源によって充電可能に構成されていることが好ましい。
As described above, the rotating
本実施形態の車載充電装置１０は、車両用駆動装置９の直流電源３を、単相の外部交流電源４から供給される電力によって充電する。図２に示すように、車載充電装置１０は、外部交流電源４に接続されて、外部交流電源４からの交流電力を直流電力に変換する交流直流コンバータ１（ＡＣ／ＤＣコンバータ）と、交流直流コンバータ１により変換された直流の電圧を変換する直流直流コンバータ２（ＤＣ／ＤＣコンバータ）とを備えている。交流直流コンバータ１は、一対の交流側端子Ｔ１ａと一対の直流側端子Ｔ１ｄとを備えており、交流直流コンバータ１の交流側端子Ｔ１ａは、外部交流電源４に接続される。直流直流コンバータ２は、一対の第１端子Ｔ２１と、一対の第２端子Ｔ２２とを備えており、一対の第１端子Ｔ２１と交流直流コンバータ１の一対の直流側端子Ｔ１ｄとが接続されると共に、一対の第２端子Ｔ２２と直流電源３の正負両極端子とが接続される。
The vehicle-mounted
交流直流コンバータ１及び直流直流コンバータ２は、スイッチング素子（図３、図４において符号１Ｓ、５Ｓで示すスイッチング素子）を備えて構成されており、これらのスイッチング素子は、インバータ５を介して回転電機７０を駆動制御する制御装置８によって制御される。また、後述するように、車載充電装置１０は、コンタクタ（図３、図４において、符号１１，１２で示すコンタクタ）を備えて構成されている。これらのコンタクタも制御装置８、或いは制御装置８及び車両制御装置９０によって制御される。図１を参照して上述したように、制御装置８は回転電機の駆動制御システムに含まれており、制御装置８も回転電機７０の駆動制御と直流電源３の充電制御とに共用される。
The AC-
直流電源３を充電する際には、外部交流電源４から直流電源３へ電力が供給される。従って、回路構成上、相対的に外部交流電源４の側（上流側）に配置される交流直流コンバータ１をフロントエンドコンバータ或いはフロントコンバータ、相対的に直流電源３の側（下流側）に配置される直流直流コンバータ２をバックエンドコンバータ或いはバックコンバータと称する場合がある。本実施形態では、外部交流電源４に接続されるフロントコンバータである交流直流コンバータ１が、車両用駆動装置９とは別に形成された回路によって構成され、直流電源３に接続されるバックコンバータである直流直流コンバータ２が、回転電機７０の駆動系回路（コイル７及びインバータ５）を共用して構成されている。
When charging the
図３、図４に示すように、交流直流コンバータ１は、スイッチング素子１Ｓを備えて構成されている。交流直流変換においては、誘導性インピーダンスや容量性インピーダンスにより、電圧位相と電流位相との間に位相差が生じ、当該位相差によって力率が低下する。スイッチング素子１Ｓが制御されることによって、例えば電流位相が調整され、位相差が補償されて力率を改善することができる。交流直流コンバータ１は、外部交流電源４から供給される交流電力から変換される直流電力の力率を改善する力率改善（ＰＦＣ：power factor correction）回路としても機能するように構成されている。
As shown in Figures 3 and 4, the AC-
本実施形態では、交流直流コンバータ１は、インダクタＬ１と、スイッチング素子１Ｓを用いたフルブリッジ回路とを備えて構成されている。フルブリッジ回路を備えることにより、交流直流コンバータ１を交流直流変換及び直流交流変換が可能な双方向コンバータとして機能させることができる。例えば、車載充電装置１０を、外部交流電源４から供給される電力により直流電源３を充電するための機能と、直流電源３に蓄えられた電力により車両外の装置に交流電力を供給する機能との２つの機能を有する装置として利用することができる。
In this embodiment, the AC-
近年、災害時等において電動車両やハイブリッド車両の直流電源３を非常用電源として用いることが提唱されている。交流直流コンバータ１がフルブリッジ回路を備えることにより、直流電源３をそのような非常用電源として利用することができる。当然ながら、このような直流電源３の利用を考慮しないような場合には、交流直流コンバータ１が、交流直流変換のみを行う一方向コンバータとして構成されていてもよい。この場合には、交流直流コンバータ１は、例えばハーフブリッジ回路を有して構成されていてもよい。
In recent years, it has been proposed to use the
詳細は後述するが、本実施形態では、車載充電装置１０の好適な構成例として、図３の第１の例と、図４の第２の例とを示している。第１の例及び第２の例は、交流直流コンバータ１の構成は同一であり、直流直流コンバータ２の構成が相違する。図３及び図４に示すように、力率改善機能も備えた交流直流コンバータ１は、インダクタＬ１と、フルブリッジ回路とを備えている。従って、力率改善機能の実現に必要なインダクタンスを、インダクタＬ１によって適切に設定することができる。
Although details will be described later, in this embodiment, a first example in FIG. 3 and a second example in FIG. 4 are shown as suitable configuration examples of the on-
図２を参照して上述したように、直流直流コンバータ２は、第１端子Ｔ２１が交流直流コンバータ１の直流側端子Ｔ１ｄに接続され、第２端子Ｔ２２が、直流電源３に接続されている。図３に例示する第１の例では、インバータ５の直流側端子である直流リンク端子Ｔ５ｄが、第１端子Ｔ２１であり、中性点７Ｎが、第２端子Ｔ２２である。また、図４に例示する第２の例では、中性点７Ｎが、第１端子Ｔ２１であり、インバータ５の直流側端子である直流リンク端子Ｔ５ｄが、第２端子Ｔ２２である。
As described above with reference to FIG. 2, the first terminal T21 of the DC-
図３は、回転電機７０の駆動系回路（コイル７，インバータ５等）を含む、回転電機７０の駆動制御システムを利用した車載充電装置１０の第１の例を示す回路ブロック図であり、図４は、回転電機７０の駆動系回路を含む、回転電機７０の駆動制御システムを利用した車載充電装置１０の第２の例を示す回路ブロック図である。上述したように、第１の例及び第２の例は、交流直流コンバータ１の構成は同一であり、直流直流コンバータ２の構成が相違する。しかし、第１の例及び第２の例に共通して、直流直流コンバータ２は、回転電機７０の駆動回路（インバータ５及び複数相のコイル７）を用いて構成されている。
Figure 3 is a circuit block diagram showing a first example of an on-
図３に示すように、車載充電装置１０は、交流直流コンバータ１の交流側端子Ｔ１ａと、外部交流電源４とを選択的に接続する（交流側端子Ｔ１ａと外部交流電源４とを断接する）フロントエンドコンタクタ１１を備えている。フロントエンドコンタクタ１１は、外部交流電源４に接続された接点（フロントエンドコンタクタ第１接点１１ａ）と、交流直流コンバータ１に接続された接点（フロントエンドコンタクタ第２接点１１ｂ）とを備えている。フロントエンドコンタクタ第１接点１１ａとフロントエンドコンタクタ第２接点１１ｂとが接続された場合に、フロントエンドコンタクタ１１が導通状態となり、外部交流電源４と車載充電装置１０（交流直流コンバータ１）とが電気的に接続される。
As shown in FIG. 3, the vehicle-mounted
図３に示すように、第１の例の車載充電装置１０は、直流電源３に対してインバータ５の直流側端子である直流リンク端子Ｔ５ｄと中性点７Ｎとを選択的に接続するバッテリコンタクタ１２を備えている。本実施形態では、バッテリコンタクタ１２は、直流電源３の正極に対して直流リンク正極端子Ｔ５Ｐと中性点７Ｎとを選択的に接続する。バッテリコンタクタ１２は、直流電源３の正極に接続されたバッテリコンタクタ第１接点１２ａと、中性点７Ｎに接続されたバッテリコンタクタ第２接点１２ｂと、直流リンク正極端子Ｔ５Ｐに接続されたバッテリコンタクタ第３接点１２ｃとを備えている。バッテリコンタクタ第１接点１２ａとバッテリコンタクタ第２接点１２ｂとが接続されると、中性点７Ｎが、バッテリコンタクタ１２を介して直流電源３に接続される。バッテリコンタクタ第３接点１２ｃは開放されている。インバータ５が車載充電装置１０として機能する場合には、バッテリコンタクタ１２がこのように接続される。
As shown in FIG. 3, the vehicle-mounted
インバータ５が回転電機７０の駆動制御に用いられる場合には、バッテリコンタクタ第１接点１２ａとバッテリコンタクタ第３接点１２ｃとが接続され、インバータ５の直流リンク正極端子Ｔ５Ｐが、バッテリコンタクタ１２を介して直流電源３に接続される。バッテリコンタクタ第２接点１２ｂは開放されている。また、車両が駐車される場合や、異常等によって回転電機７０への電力供給を遮断する必要があるような場合には、バッテリコンタクタ第１接点１２ａに対して、バッテリコンタクタ第２接点１２ｂ及びバッテリコンタクタ第３接点１２ｃの何れも接続されない状態とすることができる。
When the
このように、バッテリコンタクタ１２により、直流電源３に対する接続形態を変更するだけで、回転電機７０を駆動制御する機能と、直流電源３を外部交流電源４により充電する機能とを切り替え可能な回路を実現することができる。即ち、簡単な構成で、車載充電装置１０を構成することができる。
In this way, by simply changing the connection form of the
図３を参照して上述した第１の例の車載充電装置１０では、交流直流コンバータ１の交流側端子Ｔ１ａと、外部交流電源４とを選択的に接続する（交流側端子Ｔ１ａと外部交流電源４とを断接する）コンタクタとして、フロントエンドコンタクタ１１が配置されていた。図４に示す第２の例の車載充電装置１０では、フロントエンドコンタクタ１１は、交流直流コンバータ１の直流側端子Ｔ１ｄと、直流直流コンバータ２の第１端子Ｔ２１としての中性点７Ｎとを選択的に接続する（直流側端子Ｔ１ｄと第１端子Ｔ２１としての中性点７Ｎとを断接する）コンタクタとして配置されている。
In the first example of the on-
フロントエンドコンタクタ１１は、一対の直流側端子Ｔ１ｄの内の直流側正極端子Ｔ１Ｐに接続された接点（フロントエンドコンタクタ第１接点１１ａ）と、中性点７Ｎに接続された接点（フロントエンドコンタクタ第２接点１１ｂ）とを備えている。フロントエンドコンタクタ第１接点１１ａとフロントエンドコンタクタ第２接点１１ｂとが接続された場合に、フロントエンドコンタクタ１１が導通状態となり、交流直流コンバータ１と直流直流コンバータ２とが電気的に接続される。より具体的には、中性点７Ｎが、フロントエンドコンタクタ１１を介して交流直流コンバータ１の直流側端子Ｔ１ｄ（直流側正極端子Ｔ１Ｐ）に接続される。
The front-
図４に示すように、第２の例の車載充電装置１０も直流電源３に対してインバータ５の直流側端子である直流リンク端子Ｔ５ｄを選択的に接続する（直流電源３と直流リンク端子Ｔ５ｄとを断接する）バッテリコンタクタ１２を備えている。図３を参照して上述した第１の例の車載充電装置１０のバッテリコンタクタ１２は、直流電源３に対して、直流リンク端子Ｔ５ｄと、中性点７Ｎを選択的に接続するコンタクタであり、直流電源３の正極に接続されたバッテリコンタクタ第１接点１２ａと、中性点７Ｎに接続されたバッテリコンタクタ第２接点１２ｂと、直流リンク正極端子Ｔ５Ｐに接続されたバッテリコンタクタ第３接点１２ｃとを備えている。第２の例のバッテリコンタクタ１２は、中性点７Ｎに接続されたバッテリコンタクタ第２接点１２ｂを備えず、バッテリコンタクタ第１接点１２ａ及びバッテリコンタクタ第３接点１２ｃのみを備えている。バッテリコンタクタ第１接点１２ａとバッテリコンタクタ第３接点１２ｃとが接続されると、直流リンク正極端子Ｔ５Ｐが、バッテリコンタクタ１２を介して直流電源３に接続される。
As shown in FIG. 4, the vehicle-mounted
図４に示す第２の例では、インバータ５が車載充電装置１０として機能する場合、及びインバータ５が回転電機７０の駆動制御に用いられる場合の双方において、バッテリコンタクタ第１接点１２ａとバッテリコンタクタ第３接点１２ｃとが接続され、インバータ５の直流リンク正極端子Ｔ５Ｐが、バッテリコンタクタ１２を介して直流電源３に接続される。つまり、第２の例では、インバータ５が車載充電装置１０として機能する場合、及びインバータ５が回転電機７０の駆動制御に用いられる場合の双方において、直流電源３がインバータ５に接続される。尚、車両が駐車される場合や、異常等によって回転電機７０への電力供給を遮断する必要があるような場合には、バッテリコンタクタ第１接点１２ａと、バッテリコンタクタ第３接点１２ｃとの接続を遮断することで、バッテリコンタクタ１２を開放状態として、インバータ５から直流電源３を切り離すことができる。
In the second example shown in FIG. 4, when the
第１の例では、電気的に交流直流コンバータ１から直流電源３への方向にみた場合に、中性点７Ｎが出力側の直流電源３に接続され、コイル７が直流直流コンバータ２の出力側に配置されている。つまり、インダクタ（コイル７）と、出力用平滑コンデンサＣ２とが、直流直流変換回路の出力側に配置されており、直流直流コンバータ２は、降圧コンバータとして形成されている。第２の例では、中性点７Ｎが、交流直流コンバータ１の直流側端子Ｔ１ｄに接続され、コイル７が直流直流コンバータ２の入力側に配置されている。つまり、インダクタ（コイル７）が直流直流変換回路の入力側に配置され、インバータ５の直流側端子である直流リンク端子Ｔ５ｄが直流直流変換回路の出力側に配置されて直流リンクコンデンサ６が、第１例における出力用平滑コンデンサＣ２として機能している。これにより、第２の例の直流直流コンバータ２は、昇圧コンバータとして形成されている。尚、第２の例では、直流リンクコンデンサ６が直流直流変換回路の出力用平滑コンデンサとして機能するため、交流直流コンバータ１の出力側である一対の直流側端子Ｔ１ｄの端子間には、直流電圧を平滑するために平滑コンデンサＣ１が配置されている。
In the first example, when viewed electrically from the AC-
第２の例の構成によれば、直流直流コンバータ２を昇圧コンバータとして用いることができる。
According to the configuration of the second example, the DC-
尚、フロントエンドコンタクタ１１、バッテリコンタクタ１２は、制御装置８によって開閉制御される。或いは、これらのコンタクタは、車両制御装置９０によって制御されてもよい。例えば、これらのコンタクタは、メカニカルリレーを用いて構成することができる。メカニカルリレーは、接点が開放された場合の絶縁性が高く、接点が閉成された場合に流すことができる電流も大きく確保し易い。しかし、これらのコンタクタは、メカニカルリレーに限らず、ソリッドステートリレーなど、半導体を用いて構成されていてもよい。
The front-
一般的に、非絶縁型の交流直流コンバータや直流直流コンバータは、スイッチング素子やインダクタ（コイル）を備えて構成されることが知られている。図１を参照して上述したように、車両用駆動装置９には、インバータ５や回転電機７０のコイル７が備えられている。また、外部交流電源４により直流電源３を充電する際には、車両は停車しており、回転電機７０は駆動されない。従って、インバータ５を交流直流コンバータ１や直流直流コンバータ２におけるスイッチングを備えた回路として利用し、コイル７をインダクタとして利用することによって、車載充電装置１０の搭載コストを低減することができる。また、制御装置８の制御対象に回転電機７０に加えて車載充電装置１０を加えることができ、システムの簡素化を図ることができる。つまり、本実施形態のように、回転電機７０の駆動系回路の一部を車載充電装置１０の一部として共用することによって、低コストで車載充電装置１０を構築することができる。
Generally, it is known that non-insulated AC-DC converters and DC-DC converters are configured with switching elements and inductors (coils). As described above with reference to FIG. 1, the
図５は、本実施形態の車載充電装置１０の比較例の充電装置１０Ｘを示している。図２から図４を参照して上述した本実施形態の車載充電装置１０では、直流直流コンバータ２に、回転電機７０の駆動系回路が共用されているが、比較例の充電装置１０Ｘでは、交流直流コンバータ（比較用フロントエンドコンバータ１００）に、回転電機７０の駆動系回路が共用されている。比較用フロントエンドコンバータ１００は、インバータ５と、複数相のコイル７と、インバータ５に並列に接続された単相アーム１０５と、インダクタＬ０とを備えて構成されている。複数相のコイル７は中性点７Ｎで短絡され、中性点７Ｎと単相アーム１０５の中点との間に、インダクタＬ０（フロントエンドインダクタ）と外部交流電源４とが直列に接続されている。インバータ５を構成する３相のアームは、並列接続されて見かけ上１つのアームを構成しており、単相アーム１０５と共に、フルブリッジ回路を形成している。
Figure 5 shows a
比較例の充電装置１０Ｘでは、直流直流コンバータ（比較用バックエンドコンバータ２００）は、回転電機７０の駆動系回路を共用することなく独立して形成されている。比較用バックエンドコンバータ２００は、相補的にスイッチング制御されるようにスイッチング素子が直列接続されたアームと、当該アームの中点に接続されたバックエンドインダクタＬ２を備えて降圧型の直流直流コンバータとして構成されている。尚、比較用バックエンドコンバータ２００は昇圧コンバータや昇降圧型コンバータとして構成されていてもよい。
In the
比較例の充電装置１０Ｘも、車載充電装置１０の第１の例の実施形態と同様のフロントエンドコンタクタ１１及びバッテリコンタクタ１２を備えている。接続形態や開閉制御については、第１の例の車載充電装置１０と同様であるから説明は省略する。また、比較例の充電装置１０Ｘは、選択的に、交流直流コンバータとしての比較用フロントエンドコンバータ１００（インバータ５）と直流電源３とを接続する、或いは、比較用フロントエンドコンバータ１００（インバータ５）と直流直流コンバータとしての比較用バックエンドコンバータ２００とを接続するバックエンドコンタクタ１３も備えている。バックエンドコンタクタ１３は、比較用フロントエンドコンバータ１００（インバータ５）の正極に接続されたバックエンドコンタクタ第１接点１３ａと、比較用バックエンドコンバータ２００の入力側の正極に接続されたバックエンドコンタクタ第２接点１３ｂと、バッテリコンタクタ第３接点１２ｃに接続されて選択的に直流電源３の正極に接続されるバックエンドコンタクタ第３接点１３ｃとを備えている。バックエンドコンタクタ第１接点１３ａとバックエンドコンタクタ第２接点１３ｂとが接続されると、比較用フロントエンドコンバータ１００（インバータ５）と直流直流コンバータ２とが接続される。
The
インバータ５が回転電機７０の駆動制御に用いられる場合には、図３を参照して上述したように、バッテリコンタクタ第１接点１２ａとバッテリコンタクタ第３接点１２ｃとが接続される。この状態において、バックエンドコンタクタ第１接点１３ａとバックエンドコンタクタ第３接点１３ｃとが接続されると、インバータ５と直流電源３とが、バックエンドコンタクタ１３及びバッテリコンタクタ１２を介して接続される。
When the
車両の駆動力源となる回転電機は、高電力密度となるように設計されており、インダクタンスが小さい。このため、比較例の充電装置１０Ｘのように、中性点７Ｎに単相の外部交流電源４が接続されて交流直流コンバータが形成された場合、交流直流変換の際に、外部交流電源４の系統電流の高調波電流のピーク値が大きくなる傾向がある。
The rotating electric machine that serves as the driving force source for the vehicle is designed to have a high power density and a small inductance. For this reason, when a single-phase external
これを抑制するための１つの方法として、比較用フロントエンドコンバータ１００に含まれるインバータ５や比較用バックエンドコンバータ２００の制御周波数を高くことが考えられる。これらの制御周波数を高くする場合には、インバータ５や比較用バックエンドコンバータ２００を制御する制御装置８の制御周期（制御周波数）も短くする必要がある。高い周波数でのスイッチングは、比較用フロントエンドコンバータ１００（インバータ５）及び比較用バックエンドコンバータ２００が備えるスイッチング素子における損失を増大させ、充電装置１０Ｘの効率の低下に繋がる。また、制御装置８として、高速動作が可能なマイクロコンピュータ等を用いる必要が生じ、充電装置１０Ｘのコストの上昇に繋がる。この点に鑑み、比較例の充電装置１０Ｘでは、外部交流電源４と複数相のコイル７の中性点７Ｎとの間に、インダクタＬ０を追加して必要なインダクタンスを確保している。しかし、この場合も、インダクタＬ０の追加により充電装置１０Ｘのコストが上昇する。
One method to suppress this is to increase the control frequency of the
本実施形態の車載充電装置１０は、この点に鑑み、車載充電装置１０がシステムコストの増加を抑制して構成されている。本実施形態によれば、車載充電装置１０を構成する交流直流コンバータ１と直流直流コンバータ２との内、適切なインダクタンスが必要な交流直流コンバータ１が、回転電機７０の駆動系回路（回転電機７０のコイル７及び回転電機７０を駆動するインバータ５）を用いることなく構成される。車載充電装置１０に回転電機７０のコイル７を用いる場合、当該コイル７のイダクタンスが小さいことにより、必要な性能を確保することが困難となる場合がある。しかし、本実施形態では、コイル７を用いることなく、適切なインダクタンスが設定可能な交流直流コンバータ１により、力率改善機能などの充分な性能を確保して交流直流変換が可能な交流直流コンバータ１を構成することができる。また、高いインダクタンスが必要ない直流直流コンバータ２を、回転電機７０の駆動系回路を共用して構成することができ、車載充電装置１０のコストを低減することができる。また、交流直流コンバータ１に適切なインダクタンスを設定可能なことにより、交流直流コンバータ１を短い制御周期（高い制御周波数）で制御する必要もなく、交流直流コンバータ１を構成するスイッチング素子１Ｓの損失も低減し易い。従って、車載充電装置１０のシステム効率も高くし易い。
In view of this, the vehicle-mounted
以上説明したように、本実施形態によれば、回転電機７０とインバータ５と直流電源３とを備えた車両用駆動装置９の直流電源３を、回転電機７０のコイル７及びインバータ５を利用して、外部交流電源４からの電力により充電する車載充電装置１０をシステムコストの増加を抑制して構成することができる。
As described above, according to this embodiment, an on-
１：交流直流コンバータ、２：直流直流コンバータ、３：直流電源、４：外部交流電源、５：インバータ、７：コイル、７Ｎ：中性点、９：車両用駆動装置、１０：車載充電装置、１１：フロントエンドコンタクタ（コンタクタ）、１２：バッテリコンタクタ（コンタクタ）、７０：回転電機、Ｌ１：インダクタ、Ｔ１ａ：交流側端子（交流直流コンバータの直流側端子）、Ｔ１ｄ：直流側端子、Ｔ２１：第１端子、Ｔ２２：第２端子、Ｔ５ｄ：直流リンク端子（インバータの直流側端子） 1: AC-DC converter, 2: DC-DC converter, 3: DC power source, 4: External AC power source, 5: Inverter, 7: Coil, 7N: Neutral point, 9: Vehicle drive device, 10: Vehicle charging device, 11: Front-end contactor (contactor), 12: Battery contactor (contactor), 70: Rotating motor, L1: Inductor, T1a: AC side terminal (DC side terminal of AC-DC converter), T1d: DC side terminal, T21: First terminal, T22: Second terminal, T5d: DC link terminal (DC side terminal of inverter)
Claims (4)
前記外部交流電源からの交流電力を直流電力に変換する交流直流コンバータと、
前記インバータと複数相の前記コイルとにより構成され、前記インバータの直流側端子と複数相の前記コイルの前記中性点との一方が第１端子であり、他方が第２端子である直流直流コンバータと、を備え、
前記交流直流コンバータの交流側端子は、前記外部交流電源に接続され、
前記交流直流コンバータの直流側端子は、前記直流直流コンバータの前記第１端子に接続され、
前記直流直流コンバータの前記第２端子は、前記直流電源に接続されている、車載充電装置。 An on-board charging device for a vehicle includes a rotating electric machine having multiple phase coils connected to each other at a neutral point and serving as a driving force source for wheels, an inverter that converts power between DC and multiple phase AC, and a DC power supply connected to the inverter, the on-board charging device charging the DC power supply with power supplied from a single-phase external AC power supply,
an AC-DC converter that converts AC power from the external AC power source into DC power;
a DC-DC converter configured with the inverter and the coils of a plurality of phases, one of a DC side terminal of the inverter and the neutral point of the coils of the plurality of phases being a first terminal and the other being a second terminal;
an AC side terminal of the AC-DC converter is connected to the external AC power supply;
a DC side terminal of the AC-DC converter is connected to the first terminal of the DC-DC converter;
The second terminal of the DC-DC converter is connected to the DC power source.
前記インバータの直流側端子は、前記第１端子であり、
前記中性点は、前記第２端子であり、
前記中性点は、前記コンタクタを介して前記直流電源に接続される、請求項１又は２に記載の車載充電装置。 a contactor that selectively connects a DC side terminal of the inverter and the neutral point to the DC power source;
a DC side terminal of the inverter is the first terminal,
the neutral point is the second terminal,
The on-board charging device according to claim 1 , wherein the neutral point is connected to the DC power source via the contactor.
前記中性点は、前記第１端子であり、
前記インバータの直流側端子は、前記第２端子であり、
前記中性点は、前記コンタクタを介して前記交流直流コンバータの直流側端子に接続される、請求項１又は２に記載の車載充電装置。 a contactor that selectively connects the neutral point and a DC side terminal of the AC-DC converter;
the neutral point is the first terminal,
a DC side terminal of the inverter is the second terminal,
The vehicle-mounted charging device according to claim 1 or 2, wherein the neutral point is connected to a DC side terminal of the AC-DC converter via the contactor.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2023021161A JP2024115454A (en) | 2023-02-14 | 2023-02-14 | On-board charging equipment |
| PCT/JP2024/004926 WO2024172050A1 (en) | 2023-02-14 | 2024-02-14 | In-vehicle charging device and in-vehicle charging method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2023021161A JP2024115454A (en) | 2023-02-14 | 2023-02-14 | On-board charging equipment |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2024115454A true JP2024115454A (en) | 2024-08-26 |
Family
ID=92499250
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2023021161A Pending JP2024115454A (en) | 2023-02-14 | 2023-02-14 | On-board charging equipment |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2024115454A (en) |
-
2023
- 2023-02-14 JP JP2023021161A patent/JP2024115454A/en active Pending
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|---|---|---|---|
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