JP2025032629A - 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号公報には、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なるトラクション回転電機に接続される直流電源を、車両に搭載された状態で充電する車載充電装置(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、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変換器(DC/DCコンバータ)の入力側端子が接続され、直流直流変換器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変換器(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、この交流直流変換器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。直流直流変換器は、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。 JP2022-503713A discloses an onboard charger that charges a DC power source connected to a traction rotating electric machine that serves as a driving force source for the wheels of an electric vehicle or hybrid vehicle while the charger is mounted on the vehicle (the symbols in parentheses in the background art are those of the referenced document). Figure 3 of this document illustrates an onboard charger in which an 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 coils 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、当該車両に搭載されたトラクション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、例えば車両に搭載される回転電機は、高電力密度となるように設計されており、コイルは、交流直流変換器のインダクタとしては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、コイルの中性点に外部交流電源が接続されて交流直流変換器が形成された場合、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 traction rotating electric machine mounted on the vehicle can be used as a three-phase coil. However, for example, a rotating electric machine mounted on a vehicle is designed to have a high power density, and the coil has a small inductance as an inductor of an AC-DC converter. As illustrated in FIG. 3 of the above document, when an AC-DC converter is formed by connecting an external AC power source to the neutral point of the coil, the peak value of the harmonic current of 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、交流直流変換器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、直流直流変換器の側でリップルを軽減するべく、直流直流変換器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変換器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変換器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、インダクタの追加は車載充電装置のコストの上昇に繋がる。 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 leads to an increase in the cost of the vehicle-mounted charging device.
上記に鑑みて、車輪の駆動力源となるトラクション回転電機に接続される直流電源を、車両に搭載された回転電機のコイル及び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 uses the coil and inverter of a rotating electric machine mounted on a vehicle to charge a DC power source connected to a traction rotating electric machine that serves as a driving force source for the wheels, with power from an external AC power source, while suppressing increases in system costs.
上記に鑑みた車載充電装置は、車輪の駆動力源となるトラクション回転電機とは別の駆動対象物を駆動する回転電機であり、中性点で互いに接続された複数相のコイルを備えた補機回転電機と、前記補機回転電機及び前記トラクション回転電機に電力を供給する直流電源と、前記直流電源の側の直流と前記補機回転電機の前記コイルの側の複数相の交流との間で電力を変換するインバータと、を備えた車両に搭載され、外部交流電源から供給される電力によって前記直流電源を充電する車載充電装置であって、前記外部交流電源の側の交流電力と第1の直流電力との間で電力を変換する交流直流変換器を備えた第1回路と、前記第1の直流電力から脈動成分を減衰させて前記直流電源を充電する第2の直流電力を生成する第2回路と、を備え、前記第1回路は、力率改善機能を有するアクティブ整流器を備え、前記第2回路は、前記交流直流変換器の側に配置されたハーフブリッジ回路と、前記直流電源の側に配置された第2回路インダクタと、第2回路キャパシタと、を備え、前記ハーフブリッジ回路が、前記インバータを用いて構成され、前記第2回路インダクタが、複数の前記コイルを用いて構成され、前記第2回路キャパシタが、前記コイルの中性点と前記第2回路の負極との間に接続されている。 In view of the above, the on-board charging device is a rotating electric machine that drives a drive object other than the traction rotating electric machine that serves as the driving force source for the wheels, and is mounted on a vehicle that includes an auxiliary rotating electric machine having a multi-phase coil connected to each other at a neutral point, a DC power source that supplies power to the auxiliary rotating electric machine and the traction rotating electric machine, and an inverter that converts power between the DC on the DC power source side and the multi-phase AC on the coil side of the auxiliary rotating electric machine, and is an on-board charging device that charges the DC power source with power supplied from an external AC power source, and includes an AC-DC converter that converts power between the AC power on the external AC power source side and a first DC power. and a second circuit that generates a second DC power for charging the DC power source by attenuating a pulsating component from the first DC power, the first circuit having an active rectifier with a power factor correction function, the second circuit having a half-bridge circuit arranged on the side of the AC-DC converter, a second circuit inductor arranged on the side of the DC power source, and a second circuit capacitor, the half-bridge circuit being configured using the inverter, the second circuit inductor being configured using a plurality of the coils, and the second circuit capacitor being connected between the neutral point of the coil and the negative pole of the second circuit.
この構成によれば、交流直流変換のために適切なインダクタンスが必要な第1回路が、補機回転電機の駆動系回路(補機回転電機のコイル及び補機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。車載充電装置に補機回転電機のような回転電機のコイルを用いる場合、当該コイルのイン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、補機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であるから、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変換器を構成することができる。また、高いインダクタンスを必要としない第2回路に、補機回転電機の駆動系回路を用いることにより、車載充電装置のコストを低減することができる。さらに、第1回路に適切なインダクタンスを設定可能なことにより、インダクタンスの小ささを補償するためにアクティブ整流器を短い制御周期(高い制御周波数)で制御する必要性を低くでき、アクティブ整流器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。 According to this configuration, the first circuit, which requires an appropriate inductance for AC-DC conversion, is configured without using the drive circuit of the auxiliary rotating electric machine (the coil of the auxiliary rotating electric machine and the inverter that drives the auxiliary rotating electric machine). When a rotating electric machine coil such as the auxiliary rotating electric machine is used in the on-board charging device, it may be difficult to ensure the required performance due to the small inductance of the coil. However, according to this configuration, since an appropriate inductance can be set without using the coil of the auxiliary rotating electric machine, an AC-DC converter capable of AC-DC conversion can be configured while ensuring sufficient performance such as a power factor correction function. In addition, by using the drive circuit of the auxiliary rotating electric machine for the second circuit, which does not require high inductance, the cost of the on-board charging device can be reduced. Furthermore, since an appropriate inductance can be set in the first circuit, the need to control the active rectifier with a short control period (high control frequency) to compensate for the small inductance can be reduced, and the loss of the switching element that constitutes the active rectifier can also be easily reduced. Therefore, the system efficiency of the on-board charging device can also be easily increased.
車両には、トラクション回転電機の他にも、例えばエアコンディショナや電動オイルポンプの駆動力源となる補機回転電機が備えられていることがある。そのような補機回転電機に駆動力を出力させるために、補機回転電機もトラクション回転電機と同様に、直流電源から電力を供給されるように構成された車両も増えている。車輪の駆動に比べて、エアコンディショナや電動オイルポンプの駆動は負荷が小さく、補機回転電機のコイル、及び補機回転電機を駆動するインバータもトラクション回転電機のコイルやトラクションインバータに比べて小型であることが多い。そして、充電の回路にはそのように小型の回転電機の回路で十分足りることも多い。車輪の駆動に用いられて消耗し易いトラクション回転電機の回路ではなく、車輪の駆動力源とは別の駆動対象物を駆動する補機回転電機の回路を利用して車載充電装置を構成することで、車載充電装置を搭載する車両への負担も軽減することができる。 In addition to the traction rotating electric machine, a vehicle may be equipped with an auxiliary rotating electric machine that serves as a driving force source for an air conditioner or an electric oil pump. In order to make such an auxiliary rotating electric machine output driving force, an increasing number of vehicles are configured so that the auxiliary rotating electric machine is supplied with power from a DC power source, just like the traction rotating electric machine. Compared to driving the wheels, the load of driving the air conditioner or the electric oil pump is small, and the coil of the auxiliary rotating electric machine and the inverter that drives the auxiliary rotating electric machine are often smaller than the coil and traction inverter of the traction rotating electric machine. In addition, such a small rotating electric machine circuit is often sufficient for the charging circuit. By configuring an on-board charging device using the circuit of the auxiliary rotating electric machine that drives a drive object other than the driving force source of the wheels, rather than the circuit of the traction rotating electric machine that is used to drive the wheels and is easily worn out, the burden on the vehicle on which the on-board charging device is installed can also be reduced.
このように、本構成によれば、トラクション回転電機に接続される直流電源を、車両に搭載された回転電機のコイル及び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。 In this way, with this configuration, it is possible to configure an on-board charging device that uses the coil and inverter of a rotating electric machine mounted on a vehicle to charge a DC power source connected to a traction rotating electric machine with power from an external AC power source 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。図1の回路ブロック図は、トラクション回転電機7M及び補機回転電機8M(回転電機)の駆動制御システムを模式的に示している。トラクション回転電機7Mは、車載充電装置が搭載される車両の車輪の駆動力源となる回転電機である。即ち、トラクション回転電機7M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である。車両は、車輪の駆動力源として、トラクション回転電機7M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てもよい。補機回転電機8Mは、トラクション回転電機7Mとは別の駆動対象物を駆動する回転電機である。駆動対象物は、例えば車載のエアコンディショナのコンプレッサ、電動オイルポンプである。
Below, an embodiment of the vehicle-mounted charging device will be described with reference to the drawings. The circuit block diagram of FIG. 1 shows a drive control system for the traction rotating
トラクション回転電機7M及び補機回転電機8Mは、中性点で互いに接続された複数相のコイルを備えた回転電機である。トラクション回転電機7Mは、中性点7Nで互いに接続された複数相のトラクションコイル7(U相コイル7u、V相コイル7v、W相コイル7w)を備えている。補機回転電機8Mは、中性点8Nで互いに接続された複数相の補機コイル8(U相コイル8u、V相コイル8v、W相コイル8w)を備えている。トラクション回転電機7Mは、直流と複数相の交流との間で電力を変換するトラクションインバータ5を介して直流電源3に接続されている。同様に、補機回転電機8Mは、直流と複数相の交流との間で電力を変換する補機インバータ50(インバータ)を介して直流電源3に接続されている。即ち、直流電源3は、補機回転電機8M及びトラクション回転電機7Mに接続されて、補機回転電機8M及びトラクション回転電機7Mに電力を供給する。
The traction rotating
図2の回路ブロック図は、補機回転電機8Mの駆動制御システムを利用した車載充電装置10の第1の例を示している。車載充電装置10は、補機回転電機8M及びトラクション回転電機7Mに接続された直流電源3を車両に搭載された状態で充電する装置である。即ち、車載充電装置10は、直流電源3を外部交流電源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。
The circuit block diagram in FIG. 2 shows a first example of an on-
本実施形態の車載充電装置10は、補機回転電機8M及びその駆動回路と一部を共用して構成されている。具体的には、補機インバータ50、補機回転電機8Mの補機コイル8が共用されている。また、直流リンクキャパシタ6も共用されている。尚、車載充電装置10が備えるスイッチング素子、後述するコンタクタ等を制御する不図示の制御装置の全て、或いは少なくとも一部が、補機回転電機8Mやトラクション回転電機7Mを制御する制御装置(補機制御装置88、トラクション制御装置80、車両制御装置90)と共用されていてもよい。
The vehicle-mounted
図1に示すように、車両は、トラクション回転電機7Mを制御対象とするトラクション制御装置80を備え、トラクション制御装置80は、電流フィードバック制御を行うことによってトラクション回転電機7Mを駆動制御する。また、車両は、補機回転電機8Mを制御対象とする補機制御装置88(ポンプ制御装置、エアコンディショナ制御装置)を備え、補機制御装置88は、電流フィードバック制御を行うことによって補機回転電機8Mを駆動制御する。
As shown in FIG. 1, the vehicle is equipped with a
トラクション回転電機7M及び補機回転電機8Mは、共に、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)のステータコイル(トラクションコイル7、補機コイル8)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相のステータコイルが中性点(7N及び8N)で短絡されたY型(スター型)の形態を例示している。しかし、トラクション回転電機7M及び補機回転電機8Mは、例えば3相のステータコイルを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、少なくともトラクション回転電機7M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。トラクション回転電機7Mが電動機として機能するとき、トラクション回転電機7Mは力行状態であり、トラクション回転電機7Mが発電機として機能するとき、トラクション回転電機7Mは回生状態である。
Both the traction rotating
図1に示すように、トラクション回転電機7Mと直流電源3とは、トラクションインバータ5を介して接続されている。また、補機回転電機8Mと直流電源3とは、補機インバータ50を介して接続されている。トラクションインバータ5及び補機インバータ50は、複数相の交流と直流との間で電力を変換する。本実施形態では、インバータが、複数相のアーム(レッグと称してもよい)として、U相アーム、V相アーム、W相アームを備えている。それぞれのアームは、正極側に配置された上段側スイッチング素子(5U、50U)と、負極側に配置された下段側スイッチング素子(5L、50L)とが直列接続されて形成されている。それぞれのアームの中点、即ち上段側スイッチング素子と下段側スイッチング素子との接続点がそれぞれのコイル(トラクションコイル7、補機コイル8)に接続されている。具体的には、U相アームの中点とU相コイル(7u、8u)とが接続され、V相アームの中点とV相コイル(7v、8v)とが接続され、W相アームの中点とW相コイル(7w、8w)とが接続される。
As shown in FIG. 1, the traction rotating
トラクションインバータ5及び補機インバータ50の直流側には、正極と負極との間の電圧(直流リンク電圧)を平滑するデカップリングキャパシタ(直流リンクキャパシタ6)が備えられている。即ち、直流電源3には直流リンクキャパシタ6が並列接続されている。
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、トラクション回転電機7M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。多くの場合、車両のメインスイッチ(イグニッションスイッチ)等の操作によって、直流電源3は、トラクションインバータ5や補機インバータ50に対する電気的接続を断接可能に構成されている。例えば、直流電源3は、リレー等により構成されたメインコンタクタ11を介して、トラクションインバータ5や補機インバータ50に接続されている。リレーは、メカニカル・リレーでもよいし、半導体リレー(ソリッド・ステート・リレー:Solid State Relay)でもよい。以下、他のコンタクタについても同様である。
The
図1に示すように、トラクションインバータ5及び補機インバータ50は、複数のスイッチング素子を有して構成されている。図1では、スイッチング素子としてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が用いられている形態を例示しているが、図2等に例示するように、FET(Field Effect Transistor)が用いられてもよい。また、図1から図3に示す形態では、各スイッチング素子には、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が接続されている。当然ながら、ボディダイオードを用いる場合や、エンハンスメントモード窒化ガリウム(E-GaN)で構成されたワイドバンドギャップ半導体のトランジスタにおける逆導通を用いる場合などでは、このような形態のフリーホイールダイオードを備えていなくてもよい(例えば図4等)。
As shown in FIG. 1, the
図1に示すように、トラクションインバータ5は、トラクション制御装置80により制御される。トラクション制御装置80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、トラクション制御装置80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トラクション回転電機7Mの目標トルク(トルク指令)に基づいて、電流フィードバック制御を行って、トラクションインバータ5を介してトラクション回転電機7Mを駆動する。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一般的に5ボルト以下である。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トラクションインバータ5に伝達される。或いは、トラクション制御装置80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
同様に、補機インバータ50は、補機制御装置88により制御される。補機制御装置88も、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。補機制御装置88も、例えば車両制御装置90等の他の制御装置等から要求信号として提供される補機回転電機8Mの目標トルク(トルク指令)や目標回転速度に基づいて、電流フィードバック制御を行って、補機インバータ50を介して補機回転電機8Mを駆動する。補機制御装置88で生成された制御信号も不図示のドライブ回路を介して補機インバータ50に伝達される。トラクション制御装置80と同様に、補機制御装置88にドライブ回路が含まれると考えてもよい。
Similarly, the
トラクション回転電機7Mの各相のトラクションコイル7を流れる実電流は電流センサ(トラクション電流センサ81)により検出され、トラクション制御装置80はその検出結果を取得する。また、トラクション回転電機7M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、誘導性位置センサ(Inductive Position Sensor)などのトラクション回転センサ82により検出され、トラクション制御装置80はその検出結果を取得する。トラクション制御装置80は、トラクション電流センサ81及びトラクション回転センサ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。トラクション制御装置80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ェアとソフトウェア(プログラム)との協働により実現される。
The actual current flowing through the
補機回転電機8Mの各相の補機コイル8を流れる実電流は電流センサ(補機電流センサ83)により検出され、補機制御装置88はその検出結果を取得する。また、補機回転電機8M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、誘導性位置センサ、ホール素子型回転センサなどの補機回転センサ84により検出され、補機制御装置88はその検出結果を取得する。補機制御装置88は、補機電流センサ83及び補機回転センサ84の検出結果を用いて、電流フィードバック制御やVf制御を実行する。補機制御装置88も、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ェアとソフトウェア(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、トラクションインバータ5を介して直流電源3に接続されるトラクション回転電機7M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、トラクション回転電機7Mに機械エネルギーを供給してトラクション回転電機7M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、駆動力源としてトラクション回転電機7M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、トラクション回転電機7M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と好ましい。
As described above, the traction rotating
直流電源3を外部電源によって充電する場合、車両には車載充電装置が搭載されると好適である。外部電源は、多くの場合、商用電源から電力の供給を受けるため、交流であることが多い。このため、車載充電装置は、交流から直流への電力変換機能を有して構成される。交流から直流へ電力を変換する回路として、インダクタと、スイッチング素子により構成されたブリッジ回路とを備えた交流直流変換器が知られている。交流から直流への変換は、ダイオードのような整流素子を用いた整流回路によって実現することも可能であるが、交流の電圧と電流との位相によって規定される力率が「1」に近くなる状態で電力変換が実施されることが好ましい。このため、交流直流変換器は、力率を改善できるように、スイッチング素子を用いた力率改善(Power Factor Correction)回路を備えることが多い。
When the
このような電力変換回路を備えた車載充電装置は、回路規模も大きくなる傾向があるが、車輪を駆動する機会に比べて、直流電源3を充電する機会は少ない。従って、車載充電装置は、小規模な構成であることが好ましい。外部電源によって直流電源3を充電する際には、車両は停止(駐車)している。従って、スイッチング素子により構成されたトラクションインバータ5や、インダクタンスを有するトラクション回転電機7Mのトラクションコイル7は、外部電源によって直流電源3を充電する際には、車輪を駆動するためには用いられない。そこで、トラクションインバータ5やトラクションコイル7を利用して、車載充電装置を構成することが考えられる。
Although an on-board charging device equipped with such a power conversion circuit tends to have a large circuit scale, there are fewer opportunities to charge the
図12はそのような車載充電装置の1つの従来の形態の一例で、本実施形態の車載充電装置10の比較例である第1充電装置10Xを示している。第1充電装置10Xは、トラクション回転電機7Mのトラクションコイル7及び当該トラクション回転電機7Mを駆動制御するトラクションインバータ5を兼用して構成されている。第1充電装置10Xは、交流直流変換器を備えた第1回路1と、チョッパ回路による直流直流変換器を備えた第2回路2とを有して構成されている。第1回路1は、トラクションコイル7を利用した入力インダクタLiと、トラクションインバータ5を利用したフルブリッジ・アクティブ整流器を備えた昇圧型交流直流変換器(AC/DC Boost Converter)として構成されている。第2回路2は、降圧チョッパを備えた降圧型直流直流変換器(DC/DC Buck Converter)として構成されている。
Figure 12 shows an example of one conventional form of such an on-board charging device, and shows a
図12に示すように、複数相のトラクションコイル7の中性点7Nに外部交流電源4が接続されている。また、フルブリッジ・アクティブ整流器は、第1アーム1a(第1レッグ)と第2アーム1b(第2レッグ)とにより構成されたフルブリッジ1cを備えている。第1アーム1aがトラクションインバータ5の3本のアーム(レッグ)により形成されている。トラクションインバータ5の上段側スイッチング素子5U(図1参照)が一括してスイッチング制御されると共に、下段側スイッチング素子5L(図1参照)が一括してスイッチング制御されることにより、複数相のアームを備えるトラクションインバータ5を単相アームとみなすことができる。つまり、トラクションインバータ5を見かけ上、1アームとしている。
As shown in FIG. 12, an external
第1回路1と第2回路2とは、機能切替コンタクタ12を介して選択的に接続されている。トラクションコイル7及びトラクションインバータ5が車輪の駆動に用いられる場合は、機能切替コンタクタ第1接点12aが閉成され、トラクションコイル7及びトラクションインバータ5が直流電源3の充電に用いられる場合は、機能切替コンタクタ第2接点12bが閉成される。また、直流電源3の接続先もメインコンタクタ11によって切り替えられる。トラクションコイル7及びトラクションインバータ5が車輪の駆動に用いられる場合は、メインコンタクタ第1接点11aが閉成され、トラクションコイル7及びトラクションインバータ5が直流電源3の充電に用いられる場合は、メインコンタクタ第2接点11bが閉成される。
The
ところで、回転電機は、高電力密度となるように設計されており、トラクションコイル7は、交流直流変換器の入力インダクタLiとしてはインダクタンスが小さい場合がある。このため、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脈動のピーク値が大きくなる傾向がある。これを抑制するため、第1回路1を構成するトラクションインバータ5の制御周波数を高くすると好適である。或いは、第2回路2の側で脈動を軽減するべく、直流直流変換器の制御周波数を高くしてもよい。
However, rotating electric machines are designed to have a high power density, and the
但し、制御周波数を高くする場合には、トラクションインバータ5や直流直流変換器を制御するトラクション制御装置80の制御周期(動作周波数)も短くする必要があり、トラクション制御装置80の中核となるマイクロコンピュータなどのプロセッサのコストが高くなる可能性がある。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、トラクションインバータ5及び第2回路2のチョッパ回路が備えるスイッチング素子における損失を増大させ、第1充電装置10Xの効率の低下にも繋がる。このため、図13に例示する第2充電装置10Yのように、外部交流電源4とトラクションコイル7の中性点7Nとの間に、付加インダクタLaを追加することも好適である。
However, when the control frequency is increased, the control period (operating frequency) of the
ところで、上述したように、車両には、トラクション回転電機7Mの他にも、例えばエアコンディショナや電動オイルポンプなどの補機の駆動力源となる補機回転電機8Mが備えられていることがある。従来の内燃機関のみを車輪の駆動力源とする車両では、内燃機関の排熱をエアコンディショナに利用することができたが、ハイブリッド自動車や電気自動車では内燃機関ほどの排熱が期待できず、ヒートポンプ等による温度調整が必要となり補機回転電機8Mに要求される出力も大きくなる傾向がある。また、停車時(車輪が回転していない状態の時)でも、アイドリングなどで常時動作している内燃機関とは異なり、トラクション回転電機7Mは停車時には停止する。内燃機関の動力により油を吸入吐出させる機械式オイルポンプでは、停車中に潤滑用や冷却用の油を供給することができず、電動オイルポンプが用いられるため、補機回転電機8Mに要求される出力も大きくなる傾向がある。
As mentioned above, in addition to the traction rotating
補機回転電機8Mに大きな駆動力を出力させるために、補機回転電機8Mもトラクション回転電機7Mと同様に、直流電源3から電力を供給されるように構成された車両も増えている。車輪の駆動に比べて、エアコンディショナや電動オイルポンプの駆動は負荷が小さく、補機回転電機8Mの補機コイル8、及び補機回転電機8Mを駆動する補機インバータ50もトラクション回転電機7Mのトラクションコイル7やトラクションインバータ5に比べて小型であることが多い。そして、充電の回路にはそのように小型の補機回転電機8Mの回路で十分足りることも多い。図2等に示すように、車輪の駆動に用いられて消耗し易いトラクション回転電機7Mの回路ではなく、車輪の駆動力源とは別の駆動対象物を駆動する補機回転電機8Mの回路を利用して車載充電装置10を構成することで、車載充電装置10を搭載する車両への負担も軽減することができる。
In order to output a large driving force to the auxiliary rotating
図2に示す第1の例の車載充電装置10は、中性点8Nで互いに接続された複数相の補機コイル8を備え、車輪の駆動力源となるトラクション回転電機7Mとは別の駆動対象物を駆動する補機回転電機8Mと、直流と複数相の交流との間で電力を変換する補機インバータ50と、補機回転電機8M及びトラクション回転電機7Mに電力を供給する直流電源3とを備えた車両に搭載され、外部交流電源4から供給される電力によって直流電源3を充電する。車載充電装置10は、外部交流電源4の側の交流電力と第1の直流電力との間で電力を変換する交流直流変換器を備えた第1回路1と、第1の直流電力から脈動成分を減衰させて直流電源3を充電する第2の直流電力を生成する第2回路2とを備える。
The vehicle-mounted
第1回路1は、力率改善機能を有するアクティブ整流器を備える。第1充電装置10Xとは異なり、第1回路1は、トラクション回転電機7M、補機回転電機8M、トラクションインバータ5、補機インバータ50とは回路を共有することなく構成されている。
The
第2回路2は、交流直流変換器の側に配置されたハーフブリッジ回路と、直流電源3の側に配置された第2回路インダクタと、第2回路キャパシタとを備えている。本実施形態では、第2回路2は、第1の直流電力と第2の直流電力との間で電力を変換するチョッパ回路を備えた直流直流変換器であり、第2回路インダクタは、チョッパ回路のリアクトル(チョークコイルと称してもよい)であり、第2回路キャパシタは、直流電源に並列接続された出力キャパシタCoである。
The
ハーフブリッジ回路は、補機インバータ50を用いて構成され、第2回路インダクタ(リアクトル)が、複数の補機コイル8を用いて構成されている。上述したように、補機インバータ50の上段側スイッチング素子50U(図1参照)が一括してスイッチング制御されると共に、下段側スイッチング素子50L(図1参照)が一括してスイッチング制御されることにより、3相のアームを有する補機インバータ50は見かけ上1アームとなり、ハーフブリッジ回路を構成する。同様に、3相の補機コイル8も見かけ上、1つのインダクタを構成する。第2回路キャパシタは、補機コイル8の中性点8Nと第2回路2の負極との間に接続されている。第2キャパシタは、直流電源3に並列接続されており、出力キャパシタCoとして機能する。
The half-bridge circuit is constructed using the
第1の例の車載充電装置10では、中性点8Nと出力キャパシタCoの正極とが、機能切替コンタクタ12を介して接続され、出力キャパシタCoの正極と直流電源3の正極とがメインコンタクタ11を介して接続されている。また、外部交流電源4と第1回路1とは、グリッドコンタクタ13及びEMI(Electro Magnetic Interference)ノイズを低減させるEMIフィルタFLTを介して接続されている。
In the first example of the on-
メインコンタクタ第1接点11a及びメインコンタクタ第2接点11bが閉成され、機能切替コンタクタ12が開放され、グリッドコンタクタ13が開放された状態で、トラクションインバータ5及び補機インバータ50は、トラクションコイル7及び補機コイル8に交流電流を流して、トラクション回転電機7M及び補機回転電機8Mを駆動するために用いられる。メインコンタクタ第1接点11aが開放されると共にメインコンタクタ第2接点11bが閉成され、機能切替コンタクタ12が閉成され、グリッドコンタクタ13が閉成された状態で、補機インバータ50及び補機コイル8は車載充電装置10として用いられる。
When the main contactor
第1充電装置10X及び第2充電装置10Yとは異なり、本実施形態の車載充電装置10は、交流直流変換のために適切なインダクタンスが必要な第1回路が、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ている。上述したように、車載充電装置10に回転電機のコイルを用いる場合、当該コイルのイン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、本実施形態の車載充電装置10は、第1回路1に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であるから、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変換器を構成することができる。また、高いインダクタンスを必要としない第2回路2に、補機回転電機8Mの駆動系回路を用いることにより、車載充電装置10のコストを低減することができる。さらに、第1回路1に適切なインダクタンスを設定可能なことにより、アクティブ整流器を短い制御周期(高い制御周波数)で制御する必要もなく、アクティブ整流器を構成する第1回路1のスイッチング素子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。
Unlike the
尚、メインコンタクタ11は、図2に示した第1の例に限らず、図3に示す第2の例のように、メインコンタクタ第1接点11aとメインコンタクタ第2接点11bとが配置されていてもよい。第1の例では、メインコンタクタ第1接点11aとメインコンタクタ第2接点11bとが共に閉成される形態であるが、第2の例では、メインコンタクタ第1接点11aとメインコンタクタ第2接点11bとが選択的に閉成される形態である。第1の例では、補機インバータ50が補機回転電機8Mの駆動に用いられる場合も、車載充電装置10に用いられる場合も、出力キャパシタCoが直流電源3に並列に接続される。第2の例では、補機インバータ50が補機回転電機8Mの駆動に用いられる場合には、出力キャパシタCoは開放され、補機インバータ50が車載充電装置10に用いられる場合にのみ、出力キャパシタCoが直流電源3に並列に接続される。
The
図2及び図3を参照して上述した第1の例及び第2の例では、第1回路1のスイッチング素子1S、第2回路2に用いられる補機インバータ50のスイッチング素子50S、トラクションインバータ5のスイッチング素子5Sの何れもが、MOSFETである形態を示している。しかし、図4に示す第3の例のように、これら全てのスイッチング素子が、接合型FETであってもよい。
In the first and second examples described above with reference to Figures 2 and 3, the
第1回路1においてアクティブ整流器を構成するスイッチング素子1S、及び第2回路2においてチョッパ回路を構成する補機インバータ50のスイッチング素子50Sは、窒化ガリウムスイッチング素子により構成されていると好適である。
The
窒化ガリウムスイッチング素子は、オン抵抗が低いので導通損失が小さい、高速スイッチングが可能なためスイッチング損失が小さい、寄生容量が小さく損失が小さい、回路を駆動するために必要な電力が小さい、素子が小さく回路基板上の占有スペースを小さくし易い、シリコン半導体よりも低コストで製造することができる、などの特徴を有する。従って、車載充電装置10を低コストで構成することができる。一方で、ゲート駆動電圧のしきい値が低いという特性に起因し、シリコン半導体などに比べてノイズには弱い。しかし、直流電源3の充電時には車両も停車中であり、外来ノイズの影響は比較的少ない。また、対ノイズ性における信頼性は、トラクション回転電機7Mを駆動する回路(例えばトラクションインバータ5)に比べて、トラクション回転電機7Mとは別の補機回転電機8Mの駆動に用いられる補機インバータ50の方が、要求も低くなる。従って、アクティブ整流器及び補機インバータ50が、窒化ガリウムスイッチング素子により構成されていることで、車載充電装置10を含む車載システムをより低コストで実現することができる。
Gallium nitride switching elements have the following characteristics: low on-resistance, resulting in low conduction loss; high-speed switching, resulting in low switching loss; low parasitic capacitance, resulting in low loss; low power required to drive the circuit; small elements, which make it easy to reduce the space they occupy on the circuit board; and lower manufacturing costs than silicon semiconductors. Therefore, the vehicle-mounted
即ち、車載充電装置10に用いられるスイッチング素子(スイッチング素子1S及びスイッチング素子50S)と、トラクションインバータ5のスイッチング素子5Sとが異なる種類の素子であってもよい。図5に示す第4の例のように、車載充電装置10に用いられるスイッチング素子(スイッチング素子1S及びスイッチング素子50S)が接合型FETであり、トラクションインバータ5のスイッチング素子5SがMOSFETであってもよい。また、図6に示す第5の例のように、車載充電装置10に用いられるスイッチング素子(スイッチング素子1S及びスイッチング素子50S)が接合型FETであり、トラクションインバータ5のスイッチング素子5SがIGBTであってもよい。
That is, the switching elements (switching
上記においては、図2から図6を参照して、第2回路2が、第1の直流電力と第2の直流電力との間で電力を変換するチョッパ回路を備えた直流直流変換器であり、第2回路インダクタが、チョッパ回路のリアクトルであり、第2回路キャパシタが、直流電源3に並列接続された出力キャパシタCoである形態を例示した。
In the above, referring to Figures 2 to 6, an example has been given in which the
第1回路1において交流直流変換器により交流電力から変換された第1の直流電力には、交流電力の周波数の高調波成分の脈動が残ることが多い。第2回路2が直流直流変換器を備えることにより、当該脈動成分を抑制することができ、第1の直流電力に比べて脈動成分が低減された第2の直流電力を直流電源3に供給して、直流電源3を充電することができる。
In the
別の構成として、図7に示す第6の例のように、車載充電装置10は、第2回路2が、第1回路1の直流側に、補機インバータ50の直流側が他の受動部品を介することなく接続されたアクティブデカップリング回路であり、第2回路キャパシタが、直流電源3に接続されることなく、補機コイル8の中性点8Nと第2回路2の負極との間に接続されたアクティブフィルタキャパシタCsであってもよい。
As another configuration, as shown in the sixth example in FIG. 7, the vehicle-mounted
第1回路1において交流直流変換器により交流電力から変換された第1の直流電力には、交流電力の周波数の高調波成分の脈動が残ることが多い。このため、多くの場合、第1回路1の後段には脈動成分を平滑するためのデカップリングキャパシタ(図2から図6における直流リンクキャパシタ6)が備えられ、さらに直流直流変換器などを介して脈動成分が低減された第2の直流電力が直流電源に供給されることが多い。第6の例の車載充電装置10は、そのようなデカップリングキャパシタを介することなく第1回路1に、アクティブデカップリング回路を備えた第2回路2が接続されることにより脈動成分を低減させることができるので、回路規模を小さく抑え易い。
In the
発明者らの実験やシミュレーションによれば、第6の例の車載充電装置10の直流リンクキャパシタ6に比べて、第1の例の直流リンクキャパシタ6は、約2倍の容量が必要であることが判った。従って、第6の例の車載充電装置10は、第1の例の車載充電装置10に比べて、小型化、並びにシステムコストの低減を実現し易い。
The inventors' experiments and simulations have revealed that the
第6の例の車載充電装置10は、直流電源3と補機インバータ50の直流側との電気的接続を断接するメインコンタクタ11と、中性点8NとアクティブフィルタキャパシタCsとの電気的接続を断接する機能切替コンタクタ12と、第1回路1と外部交流電源4との電気的接続を断接するグリッドコンタクタ13とを備えている。第1の例では、メインコンタクタ11が2つの接点(メインコンタクタ第1接点11a及びメインコンタクタ第2接点11b)を備えている。メインコンタクタ第1接点11a及びメインコンタクタ第2接点11bには共に大電流が流れるため、メインコンタクタ11の部品サイズは比較的大きくなる傾向がある。第6の例の車載充電装置10では、メインコンタクタ11は、1つの接点のみを有して構成されている。このため、メインコンタクタ11の体格が大きくなることも抑制され、車載充電装置10の装置規模が大きくなることも抑制され、システムコストの低減も図り易い。
The in-
第6の例の車載充電装置10では、中性点8NとアクティブフィルタキャパシタCsの正極とが、機能切替コンタクタ12を介して接続される。補機インバータ50の直流側の正極と直流電源3の正極とがメインコンタクタ11を介して接続されている。また、外部交流電源4と第1回路1とは、グリッドコンタクタ13及びEMIフィルタFLTを介して接続されている。
In the sixth example of the on-
メインコンタクタ11が閉成され、機能切替コンタクタ12が開放され、グリッドコンタクタ13が開放された状態で、トラクションインバータ5及び補機インバータ50は、トラクションコイル7及び補機コイル8に交流電流を流して、トラクション回転電機7M及び補機回転電機8Mを駆動するために用いられる。メインコンタクタ11が閉成され、機能切替コンタクタ12が閉成され、グリッドコンタクタ13が閉成された状態で、補機インバータ50及び補機コイル8は車載充電装置10として用いられる。
When the
図8の回路ブロック図は、理解を容易にするために図7の回路ブロック図を機能別に分けて示したものである。第1回路1は、昇圧を行いつつ、外部交流電源4から供給されるグリッド電流Igridの力率を“1”に近い値に調整する。但し、第1回路1から出力される第1の直流電力には、外部交流電源4の交流周波数に起因する脈動成分が重畳されている。具体的には、外部交流電源4の交流周波数の2次高調波成分や4次高調波成分の脈動が重畳されている。アクティブデカップリング回路として機能する第2回路2は、このような偶数次の高調波成分の脈動を低減し、脈動が抑制された第2の直流電力、好ましくは脈動が除去された第2の直流電力を直流電源3に供給して直流電源3を充電する。
The circuit block diagram in FIG. 8 is a functional division of the circuit block diagram in FIG. 7 for ease of understanding. The
ここで、外部交流電源4から供給される交流電圧を「グリッド電圧Vgrid」、交流電流を「グリッド電流Igrid」とすると、外部交流電源4から供給される入力電力Pinは、下記式(1)で表される。そして、入力電力Pinが力率“1”で第1の直流電力に変換されると仮定すると、入力電力Pinと第1の直流電力との関係は、下記式(2)で近似することができる。式(2)は、第1の直流電力に直流成分Pdcと、交流成分Prplとが含まれていることを示している。
Here, if the AC voltage supplied from the external
Pin=Vgrid・Igrid ・・・(1)
Pin≒Pdc+Prpl ・・・(2)
Pin=Vgrid・Igrid...(1)
Pin≒Pdc+Prpl...(2)
アクティブデカップリング回路は、式(2)に含まれる交流成分Prpl、即ち、第1の直流電力に含まれる交流成分Prplに対応する電流をアクティブデカップリング回路内に流して、直流電源3への出力電力Poutが式(2)に含まれる直流成分Pdcのみとなるように機能する(式(3))。アクティブデカップリング回路としての第2回路2は、下記式(4)に示すように、アクティブフィルタキャパシタCsにおける電力であるキャパシタ電力Pcsと、第1の直流電力の交流成分Prplとを一致させるように動作する。
The active decoupling circuit functions by passing a current corresponding to the AC component Prpl included in equation (2), i.e., the AC component Prpl included in the first DC power, through the active decoupling circuit so that the output power Pout to the
Pout=Pdc ・・・(3)
Prpl=Pcs ・・・(4)
Pout=Pdc...(3)
Prpl=Pcs...(4)
キャパシタ電力Pcsは、キャパシタ電圧Vcsとキャパシタ電流Icsとの間で下記式(5)の関係が成り立つため、キャパシタ電流Icsを適切に制御することで、キャパシタ電力Pcsを制御することができる。 The capacitor power Pcs satisfies the relationship of the following equation (5) between the capacitor voltage Vcs and the capacitor current Ics, so the capacitor power Pcs can be controlled by appropriately controlling the capacitor current Ics.
Pcs=Vcs・Ics ・・・(5) Pcs=Vcs・Ics...(5)
上述したように、補機回転電機8Mの補機コイル8のインダクタンスは小さいため、アクティブデカップリング回路では、エネルギーを溜めるためではなく、電流を通過させるためにインダクタ(補機コイル8)を使用する。また、第6の例の車載充電装置10では、キャパシタ電流Icsをいわゆる連続電流(continuous current)ではなく、パルス幅変調による不連続電流(discontinuous current)としてアクティブデカップリング回路によるデカップリング作用を実現すると好適である。
As described above, the inductance of the
上述したように、補機インバータ50は、直流の正極と負極との間に、上段側スイッチング素子50Uと下段側スイッチング素子50Lとが直列に接続されたアームを、複数相の交流の相数に応じて複数本並列に備えて構成されている。本実施形態では、補機インバータ50は、3本のアームを備えて構成されている。補機インバータ50がアクティブデカップリング回路として機能する場合には、複数の上段側スイッチング素子50Uが同時にスイッチング制御されると共に、複数の下段側スイッチング素子50Lが同時にスイッチング制御される。即ち、複数相の交流に対応して複数相のアームを備えている補機インバータ50を、単相アームを備えたインバータ(ハーフブリッジ回路)として用いることができる。複数のアームに分散して電流が流れるため、車載充電装置10の一部として補機インバータ50を利用しても補機インバータ50の消耗を抑制し易い。
As described above, the
尚、スイッチング制御においては、正弦波状のキャパシタ電流指令I*csに基づいて、上段側スイッチング素子50U及び下段側スイッチング素子50Lのスイッチング制御信号(スイッチングパルス)が生成される。キャパシタ電流指令I*csの位相は、グリッド電圧Vgridの位相及びグリッド電流Igridの位相と一致している。尚、キャパシタ電圧Vcsの位相は、キャパシタ電流Icsに対してπ/2遅れた位相である。
In the switching control, switching control signals (switching pulses) for the upper-
以上説明したように、補機インバータ50は、アクティブフィルタキャパシタCsを流れる電流の位相が、第1回路1の交流直流コンバータにおける交流の電流の位相に一致するように、複数の上段側スイッチング素子50U、及び複数の下段側スイッチング素子50Lがスイッチング制御される。アクティブデカップリング回路は、第1回路1における交流の高調波成分をアクティブフィルタキャパシタCsに流すことで減衰させる。アクティブフィルタキャパシタCsを流れる電流の位相を、第1回路1における交流の電流の位相に一致させることで、減衰効果を高くすることができる。
As described above, in the
また、上述したように、本実施形態では、アクティブデカップリング回路に第1の直流電力の脈動成分である交流成分Prplに対応する電流(キャパシタ電流Ics)を流す必要がある。このため、キャパシタ電流指令I*csは、直流電源3に対する出力電圧(=バッテリ電圧Vbat)との大小関係を考慮して設定される。
As described above, in this embodiment, it is necessary to pass a current (capacitor current Ics) corresponding to the AC component Prpl, which is a pulsating component of the first DC power, through the active decoupling circuit. For this reason, the capacitor current command I * cs is set in consideration of the magnitude relationship with the output voltage (=battery voltage Vbat) for the
キャパシタ電圧Vcsは、バッテリ電圧Vbatよりも低い電圧である必要がある。また、キャパシタ電圧Vcsには、第1の直流電力の交流成分Prplに相当する脈動が発生するため、キャパシタ電圧Vcsは、当該脈動の振幅も考慮してバッテリ電圧Vbatよりも低い電圧に設定される。即ち、キャパシタ電圧Vcsの指令値であるキャパシタ電圧指令V*csの振幅“V*cs_peak”は、第1の直流電力における電圧の交流成分“Vrpl”の振幅(振幅中心から波高(ピーク)までの値)を“Vrpl_peak”として、下記式(6)を満足するように設定されると好適である。 The capacitor voltage Vcs needs to be lower than the battery voltage Vbat. In addition, since pulsation corresponding to the AC component Prpl of the first DC power occurs in the capacitor voltage Vcs, the capacitor voltage Vcs is set to a voltage lower than the battery voltage Vbat in consideration of the amplitude of the pulsation. That is, it is preferable that the amplitude "V * cs_peak" of the capacitor voltage command V * cs, which is the command value of the capacitor voltage Vcs, is set so as to satisfy the following formula (6) with the amplitude (value from the amplitude center to the wave height (peak)) of the AC component "Vrpl" of the voltage in the first DC power being "Vrpl_peak".
V*cs_peak < Vbat-Vrpl_peak ・・・(6) V * cs_peak < Vbat - Vrpl_peak (6)
尚、バッテリ電圧Vbatは、直流電源3の充電が進むに従って上昇していくため、キャパシタ電圧指令V*csが一定であると、キャパシタ電圧Vcsとバッテリ電圧Vbatとの差が大きくなっていき、キャパシタ電流Icsが増加し、損失も大きくなる。従って、キャパシタ電圧Vcsは、バッテリ電圧Vbatの上昇に伴って式(6)を満足させつつ上昇することが好ましい。即ち、キャパシタ電圧指令V*csは、バッテリ電圧Vbatの上昇に伴って式(6)を満足させつつ上昇するように設定されると好適である。
In addition, since the battery voltage Vbat rises as the charging of the
図7を参照して上述した第6の例では、第1回路1のスイッチング素子1S、第2回路2に用いられる補機インバータ50のスイッチング素子50S、トラクションインバータ5のスイッチング素子5Sの何れもが、MOSFETである形態を示している。しかし、図9に示す第7の例のように、これら全てのスイッチング素子が、接合型FETであってもよい。
In the sixth example described above with reference to FIG. 7, the
第1の例、第2の例、第3の例と同様に、第1回路1においてアクティブ整流器を構成するスイッチング素子1S、及び第2回路2においてチョッパ回路を構成する補機インバータ50のスイッチング素子50Sは、窒化ガリウムスイッチング素子により構成されていると好適である。
As in the first, second, and third examples, the
また、第2回路2が降圧チョッパ回路を備える形態と同様に、車載充電装置10に用いられるスイッチング素子(スイッチング素子1S及びスイッチング素子50S)と、トラクションインバータ5のスイッチング素子5Sとが異なる種類の素子であってもよい。図10に示す第8の例のように、車載充電装置10に用いられるスイッチング素子(スイッチング素子1S及びスイッチング素子50S)が接合型FETであり、トラクションインバータ5のスイッチング素子5SがMOSFETであってもよい。また、図11に示す第9の例のように、車載充電装置10に用いられるスイッチング素子(スイッチング素子1S及びスイッチング素子50S)が接合型FETであり、トラクションインバータ5のスイッチング素子5SがIGBTであってもよい。
Also, similar to the embodiment in which the
例えば、1つの態様として、直流電源3の側の直流とトラクションコイル7の側の複数相の交流との間で電力を変換するトラクションインバータ5は、シリコンスイッチング素子(例えばSi-IGBT等)又は炭化シリコンスイッチング素子(例えば、SiC-MOSFET等)により構成され、第1回路1のアクティブ整流器、及び第2回路2のハーフブリッジ回路として機能する補機インバータ50は、窒化ガリウムスイッチング素子(GaN-HEMT(High Electron Mobility Transistor)等)により構成されていると好適である。
For example, in one embodiment, the
アクティブ整流器のスイッチング周波数が高い方が力率改善効果や脈動の抑制効果が高い。また、第2回路2のチョッパ回路もスイッチング周波数が高い方が脈動の抑制効果が高い。一方、補機回転電機8Mやトラクション回転電機7Mを駆動制御する上では、車載充電装置10による力率改善や脈動低減の効果を向上させるほどのスイッチング周波数は求められない。補機インバータ50に比べてトラクションインバータ5の方が、大きな電流が流れ、要求されるトルクの変動に応じた過渡電流や過渡電圧も大きくなる傾向がある。従って、補機インバータ50に比べてトラクションインバータ5の方が電流耐性及び電圧耐性が高い素子を用いる必要がある。また、より高いスイッチング周波数に対応可能な素子の方がコストも高くなるため、トラクションインバータ5に、高い電流耐性、高い電圧耐性、高いスイッチング周波数の全てを要求するとトラクションインバータ5のコストが非常に高くなる。トラクションインバータ5に比べて電流耐性及び電圧耐性の要求仕様が低い補機インバータ50をより高いスイッチング周波数の素子で構成することにより、トラクションインバータ5と補機インバータ50とを合わせた総コストが低減できる。
The higher the switching frequency of the active rectifier, the greater the power factor improvement effect and the pulsation suppression effect. Also, the higher the switching frequency of the chopper circuit of the
尚、上述したように、本実施形態では、第1回路1に適切なインダクタンスを有する入力インダクタLiが配置されており、インダクタンスの小ささを補償するためにアクティブ整流器を短い制御周期(高い制御周波数)で制御する必要性は比較的低くなるようには構成されている。従って、第1回路1のアクティブ整流器が、トラクションインバータ5と同様に、シリコンスイッチング素子又は炭化シリコンスイッチング素子により構成されていることを妨げるものではない。しかし、車載充電装置10として共働する補機インバータ50と同様の組成のスイッチング素子を用いてアクティブ整流器が構成されることで、車載充電装置10をより効率よく制御することも可能となり、システム効率の向上も見込むことができる。
As described above, in this embodiment, an input inductor Li having an appropriate inductance is arranged in the
ところで、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を非常用電源として用いることが提唱されている。第2回路2のチョッパ回路は、第1回路1から直流電源3に対しては降圧チョッパとして機能し、直流電源3から第1回路1に対しては昇圧チョッパとして機能する。また、第1回路1もフルブリッジ回路を備えており、交流から直流に変換する機能に留まらず、直流から交流に変換する機能を持つ双方向の電力変換器として機能させることができる。即ち、第1回路1により直流交流変換を行って、商用交流電力を第1回路1から出力することができ、直流電源3を非常用電源として利用することができる。
In recent years, it has been proposed to use the DC power source of an electric vehicle or hybrid vehicle as an emergency power source in the event of a disaster. The chopper circuit of the
第1の例から第9の例に共通して、交流から直流(第2の直流電力)への電力変換、直流(第2の直流電力)から交流への電力変換の双方向の電力変換が可能に構成されている本実施形態の車載充電装置10は、下記のように構成されているということができる。車載充電装置10が、外部交流電源4により直流電源3を充電する場合、第1回路1は単一力率交流直流昇圧変換器(AC/DC Boost Converter UPF(Unity Power Factor))として機能し、第2回路2は、直流直流降圧変換器(DC/DC Buck Converter)として機能する。車載充電装置10が、直流電源3が蓄えた電力により交流電力を出力する非常用の交流電源として機能する場合、第2回路2は直流直流昇圧変換器(DC/DC Boost Converter)として機能し、第1回路1は単一力率直流交流降圧変換器(DC/AC Buck Converter UPF)として機能する。
In common with the first to ninth examples, the vehicle-mounted
以上、種々の形態を例示して説明したように、本実施形態によれば、トラクション回転電機に接続される直流電源を、車両に搭載された回転電機のコイル及び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。 As described above by way of example of various embodiments, according to this embodiment, an on-board charging device can be configured that uses the coil and inverter of a rotating electric machine mounted on a vehicle to charge a DC power source connected to a traction rotating electric machine with power from an external AC power source, while suppressing increases in system costs.
1:第1回路、1S:スイッチング素子、2:第2回路、3:直流電源、4:外部交流電源、5:トラクションインバータ、5S:スイッチング素子、7:トラクションコイル、7M:トラクション回転電機、7N:中性点、8M:補機回転電機、8N:中性点、10:車載充電装置、50:補機インバータ(インバータ)、50S:スイッチング素子、Co:出力キャパシタ(第2回路キャパシタ)、Cs:アクティブフィルタキャパシタ 1: First circuit, 1S: Switching element, 2: Second circuit, 3: DC power source, 4: External AC power source, 5: Traction inverter, 5S: Switching element, 7: Traction coil, 7M: Traction rotating motor, 7N: Neutral point, 8M: Auxiliary rotating motor, 8N: Neutral point, 10: On-board charging device, 50: Auxiliary inverter (inverter), 50S: Switching element, Co: Output capacitor (second circuit capacitor), Cs: Active filter capacitor
Claims (4)
前記外部交流電源の側の交流電力と第1の直流電力との間で電力を変換する交流直流変換器を備えた第1回路と、
前記第1の直流電力から脈動成分を減衰させて前記直流電源を充電する第2の直流電力を生成する第2回路と、を備え、
前記第1回路は、力率改善機能を有するアクティブ整流器を備え、
前記第2回路は、前記交流直流変換器の側に配置されたハーフブリッジ回路と、前記直流電源の側に配置された第2回路インダクタと、第2回路キャパシタと、を備え、
前記ハーフブリッジ回路が、前記インバータを用いて構成され、
前記第2回路インダクタが、複数の前記コイルを用いて構成され、
前記第2回路キャパシタが、前記コイルの中性点と前記第2回路の負極との間に接続されている、車載充電装置。 An on-board charging device that is mounted on a vehicle including: an auxiliary rotating electric machine that is a rotating electric machine for driving a driven object other than a traction rotating electric machine that serves as a driving force source for wheels, the auxiliary rotating electric machine having a multi-phase coil connected to each other at a neutral point; a DC power source that supplies power to the auxiliary rotating electric machine and the traction rotating electric machine; and an inverter that converts power between a DC on the DC power source side and a multi-phase AC on the coil side of the auxiliary rotating electric machine, the on-board charging device charging the DC power source with power supplied from an external AC power source,
a first circuit including an AC/DC converter for converting power between AC power from the external AC power source and a first DC power;
a second circuit that generates a second DC power for charging the DC power supply by attenuating a pulsating component from the first DC power,
the first circuit includes an active rectifier having a power factor correction function;
the second circuit includes a half-bridge circuit disposed on a side of the AC-DC converter, a second circuit inductor disposed on a side of the DC power source, and a second circuit capacitor;
The half-bridge circuit is configured using the inverter,
the second circuit inductor is configured using a plurality of the coils;
An on-board charging device, wherein the second circuit capacitor is connected between the neutral point of the coil and the negative terminal of the second circuit.
前記第2回路インダクタは、前記チョッパ回路のリアクトルであり、
前記第2回路キャパシタは、前記直流電源に並列接続された出力キャパシタである、請求項1に記載の車載充電装置。 the second circuit is a DC-DC converter including a chopper circuit that converts power between the first DC power and the second DC power,
the second circuit inductor is a reactor of the chopper circuit,
2. The vehicle-mounted charging device of claim 1, wherein the second circuit capacitor is an output capacitor connected in parallel with the DC power source.
前記第2回路キャパシタは、前記直流電源に接続されることなく、前記コイルの中性点と前記第2回路の負極との間に接続されたアクティブフィルタキャパシタである、請求項1に記載の車載充電装置。 the second circuit is an active decoupling circuit in which a DC side of the inverter is connected to a DC side of the first circuit without any passive components;
2. The vehicle-mounted charging device according to claim 1, wherein the second circuit capacitor is an active filter capacitor connected between the neutral point of the coil and the negative electrode of the second circuit without being connected to the DC power supply.
前記直流電源の側の直流と前記トラクションコイルの側の複数相の交流との間で電力を変換するトラクションインバータは、シリコンスイッチング素子又は炭化シリコンスイッチング素子により構成され、
前記アクティブ整流器、及び前記第2回路のハーフブリッジ回路として機能する前記前記インバータは、前記トラクションインバータよりも高いスイッチング周波数でスイッチング制御されるように、窒化ガリウムスイッチング素子により構成されている、請求項1から3の何れか一項に記載の車載充電装置。 The traction rotating electric machine includes a multi-phase traction coil,
a traction inverter that converts power between a direct current on the side of the DC power supply and a multi-phase alternating current on the side of the traction coil is configured with silicon switching elements or silicon carbide switching elements;
4. The on-board charging device according to claim 1, wherein the active rectifier and the inverter functioning as a half-bridge circuit of the second circuit are configured using gallium nitride switching elements so as to be switched-controlled at a switching frequency higher than that of the traction inverter.
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