(57)【要約】【課題】モータ駆動用のインバータが備えるスイッチング素子を交流電力の充電用スイッチング素子として兼用する場合において、モータとインバータとの間にスイッチ素子を設置することを要さずとも、充電時にモータに電流が流れることを回避する。【解決手段】バッテリ（１）を充電する時は、インバータ（２）のモータ（３）側の全ての出力端子と外部電源端子（２２）の第１端子（２２ａ）とを接続するとともに平滑コンデンサ（６）の中間電位となる部位（６ｃ）と外部電源端子（２２）の第２端子（２２ｂ）とを接続し、インバータ（２）を構成する複数相のスイッチング素子を同期して動作させることにより外部電源（１９）からの交流電力を直流電力に変換する。【選択図】図２
2020058178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリと、モータと、前記バッテリの直流電力を交流電力に変換して前記モータに供給するインバータと、前記インバータの前記バッテリ側の高電圧端子と低電圧端子との間に配置される平滑コンデンサと、を備える車両において、外部電源端子をさらに備え、前記インバータが前記外部電源端子に供給される交流電力を直流電力に変換して前記バッテリに供給する充電制御方法であって、
前記平滑コンデンサは、直列に接続された少なくとも二つのコンデンサにより構成され、
前記バッテリを充電する時は、
前記インバータの前記モータ側の全ての出力端子と前記外部電源端子の第１端子とを接続するとともに前記平滑コンデンサの中間電位となる部位と前記外部電源端子の第２端子とを接続し、
前記インバータを構成する複数相のスイッチング素子を同期して動作させることにより前記外部電源からの交流電力を直流電力に変換する、
充電制御方法。
【請求項２】
前記バッテリを充電する時は、前記インバータの前記モータ側の全ての出力端子と前記モータとを結ぶ各線が前記第１端子に接続される、
請求項１に記載の充電制御方法。
【請求項３】
前記バッテリを充電する時は、前記インバータの前記モータ側の全ての出力端子と前記外部電源端子の第１端子とが前記モータの中性点を介して接続される、
請求項１に記載の充電制御方法。
【請求項４】
バッテリと、モータと、前記バッテリの直流電力を交流電力に変換して前記モータに供給するインバータと、前記インバータの前記バッテリ側の高電圧端子と低電圧端子との間に配置される平滑コンデンサとを備える車両において、外部電源端子をさらに備え、前記インバータが前記外部電源端子に供給される交流電力を直流電力に変換して前記バッテリに供給する充電制御装置であって、
前記平滑コンデンサは、直列に接続された少なくとも二つのコンデンサにより構成され、
前記インバータの前記モータ側の全ての出力端子と前記外部電源端子の第１端子との間、および、前記平滑コンデンサの中間電位となる部位と前記外部電源端子の第２端子との間の接続と非接続を切替える接続切替部と、
前記接続切替部と前記インバータの動作とを制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、
前記バッテリを充電する時は、
前記インバータの前記モータ側の全ての出力端子と前記外部電源端子の第１端子とを接続するとともに前記平滑コンデンサの中間電位となる部位と前記外部電源端子の第２端子とを接続し、
前記インバータを構成する複数相のスイッチング素子を同期して動作させることにより前記外部電源からの交流電力を直流電力に変換する、
充電制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電制御方法および充電制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１では、車載のバッテリを外部電源から供給される交流電力により充電可能な電動車両において、モータ駆動用のインバータが備えるスイッチング素子を上記交流電力の充電用スイッチング素子として兼用する充電装置が開示されている。この充電装置は、充電時にスイッチング素子を動作させる際にモータを回転駆動させないように、モータとインバータとの間にスイッチ素子を設けて、充電時にモータに電流が流れないように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５８７４９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、モータ駆動時にはモータ駆動に必要な大電流を流す必要があるため、該大電流に対応して、モータとインバータとの間に設置するスイッチ素子のサイズが大型化、高コスト化してしまうという問題がある。
【０００５】
本発明は、モータ駆動用のインバータが備えるスイッチング素子を交流電力の充電用スイッチング素子として兼用する場合において、モータとインバータとの間にスイッチ素子を設置することを要さずとも、充電時にモータに電流が流れることを回避することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による充電制御方法は、バッテリと、モータと、バッテリの直流電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータと、インバータのバッテリ側の高電圧端子と低電圧端子との間に配置される平滑コンデンサとを備える車両において、外部電源端子をさらに備え、インバータが当該外部電源端子に供給される交流電力を直流電力に変換してバッテリに供給する充電制御方法である。平滑コンデンサは、直列に接続された少なくとも二つのコンデンサにより構成される。そして、バッテリを充電する時は、インバータのモータ側の全ての出力端子と外部電源端子の第１端子とを接続するとともに平滑コンデンサの中間電位となる部位と外部電源端子の第２端子とを接続し、インバータを構成する複数相のスイッチング素子を同期して動作させることにより外部電源からの交流電力を直流電力に変換する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、インバータを構成する複数相のスイッチング素子を同期して動作させることによって外部電源からの交流電力を直流電力に変換する。これにより、充電時におけるモータの線間電圧を０にすることができるので、モータとインバータとの間にスイッチ素子を設置することを要さずに、充電時にモータに電流が流れることを回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１実施形態のモータ制御システムの構成を示す概略構成図である。
【図２】図２は、第１実施形態の充電制御方法（パルス幅変調制御）を説明する図である。
【図３】図３は、第１実施形態の充電制御方法（スイッチング周波数制御）を説明するタイミングチャートである。
【図４】図４は、第１実施形態のスイッチング素子（パワー半導体素子）の静特性を示す図である。
【図５】図５は、第２実施形態のモータ制御システムの構成を示す概略構成図である。
【図６】図６は、変形例１のモータ制御システムの構成を示す概略構成図である。
【図７】図７は、変形例２のモータ制御システムの構成を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る充電制御装置２１が適用されるモータ制御システム１００の構成例を示す制御ブロック図である。
【００１０】
モータ制御システム１００は、充電制御装置２１（以下、単に「充電装置２１」と称する）を備え、バッテリ１を電力源としてモータ３を駆動するとともに、外部の交流電源１９から供給される電力を用いてバッテリ１を充電することができるシステムである。モータ制御システム１００は、例えば、ハイブリッド車両や電気自動車などに適用される。
【００１１】
図示のように、本実施形態のモータ制御システム１００は、主として、バッテリ１と、インバータ２と、モータ３と、平滑コンデンサ６と、リレー７、１４、１６と、リアクトル１５と、ＥＭＩフィルタ１７と、フィルタコンデンサ１８と、ＤＣＤＣコンバータ２０と、駆動回路１０と、制御回路１１と、車両コントローラ１２と、を備えて構成される。
【００１２】
バッテリ１は、高電圧バッテリであって、インバータ２を介してモータ３に電力を供給する電源として機能する。換言すれば、バッテリ１は、インバータ２に直流電源を供給する直流電源として機能する。
【００１３】
インバータ２は、後述する制御回路１１で生成されるスイッチング信号（パルス幅変調信号（ＰＷＭ信号））に応じて、バッテリ１からの直流電力を３相交流電力に変換してモータ３に供給する。また、インバータ２は、制御回路１１で生成されるスイッチング信号に応じて、交流電源１９からの単相交流電力を直流電力に変換してバッテリ１に供給する。図示のとおり、インバータ２は、直流電力と交流電力の間の電力変換を行うための複数相のパワーモジュール１３により構成される。
【００１４】
各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のパワーモジュール１３は、上アームの３相のパワー半導体素子（スイッチング素子）Ｔｒ１、Ｔｒ３、Ｔｒ５と、下アームの３相のパワー半導体素子Ｔｒ２、Ｔｒ４、Ｔｒ６と、を備える。なお、各パワー半導体素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）により構成されるが、他にも、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、又はＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）などを用いてもよい。また、各パワー半導体素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６には、逆並列にダイオードＤ１〜Ｄ６が接続されている。そして、パワー半導体素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６は、駆動回路１０が後述する制御回路１１からスイッチング信号としてのＰＷＭ（Pulse Wide Modulation）信号を受信すると、駆動回路１０によって当該ＰＷＭ信号に応じたディーティー比で開閉される。すなわち、パワーモジュール１３は、制御回路１１によるＰＷＭ信号に基づいたスイッチング制御に従って制御される。
【００１５】
これにより、インバータ２は、モータ３にトルク指令値Ｔ*に応じたモータ駆動力を発生させるとともに、交流電源１９からの単相交流電力を所望のスイッチング周波数で直流電力に変換して、バッテリ１に供給することができる。本実施形態にかかるインバータ２の動作に関する詳細は図２等を参照して後述する。
【００１６】
そして、インバータ２のバッテリ１側の高電圧端子（バッテリ１の正極側）と低電圧端子（バッテリ１の負極側）との間には、当該インバータ２の出力電圧或いは入力電圧にかかる直流電圧を平滑化する平滑コンデンサ６が配置される。
【００１７】
ただし、本実施形態の平滑コンデンサ６は、２個の直流コンデンサ６ａ、６ｂを直列に接続して構成される。これにより、平滑コンデンサ６には、２個の直流コンデンサ６ａ、６ｂ間に中間電位点６ｃが設けられる。このようにして設けられる中間電位点６ｃは、後述のリレー１４と接続される。なお、平滑コンデンサ６は少なくとも２個以上の複数個のコンデンサよって構成されてもよい。例えば、４個のコンデンサを直列に接続して構成する場合には、高電圧端子側に２個のコンデンサと低電圧端子側に２個のコンデンサが存在する中間位置に中間電位点６ｃを設けてもよい。なお、本実施形態の中間電位点６ｃは厳密な意味で中間の電位である必要は必ずしもなく、厳密に中間の電位に比べて多少の大小は許容できるものとする。
【００１８】
外部電源端子２２は、第１端子２２ａと第２端子２２ｂとを備え、充電装置２１と、充電装置２１の外部に存在する交流電源１９とを電気的に接続するために構成される。本実施形態では、第１端子２２ａは交流電源１９のホット側、第２端子２２ｂは交流電源１９のコールド側と接続するように構成される。
【００１９】
外部電源端子２２に接続される外部電源としての交流電源１９は、上述のとおり、充電装置２１の外部に配置された単相交流電源であって、例えば一般的な商用電源である。
【００２０】
リレー１４は、中間電位点６ｃと第２端子２２ｂとを結線するライン、すなわち、中間電位点６ｃと外部電源としての交流電源１９のコールド側（接地側）とを結線するラインに設けられる。リレー１４は、中間電位点６ｃと交流電源１９のコールド側との間を導通させる状態（オン状態）、および、これらを電気的に遮断する状態（オフ状態）が切り替わるように開閉する。
【００２１】
リレー１６は、インバータ２の出力端子２ｕ、２ｖ、２ｗとモータ３の各相の巻線とを結線する３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のラインのそれぞれと第１端子２２ａとを結線する３相のラインのそれぞれ、すなわち、インバータ２のモータ３側の出力端子２ｕ、２ｖ、２ｗ（交流電力出力端子）と外部電源としての交流電源１９のホット側（非接地側）とを結線する３相のラインのそれぞれに設けられる。リレー１６は、インバータ２と交流電源１９のホット側との間を導通させる状態（オン状態）、および、これらを電気的に遮断する状態（オフ状態）が切り替わるように開閉する。
【００２２】
本実施形態では、上述のように構成されたリレー１４、１６のオン／オフを切り替えることにより、モータ制御システム１００の動作モードとして、インバータ２が出力する三相交流電力をモータ３に供給するモータ駆動モード（リレー１４：オフ、リレー１６：オフ）と、交流電源１９が出力する単相交流電力をインバータ２に出力する充電モード（リレー１４：オン、リレー１６：オン）とを切替えることができる。なお、本実施形態のリレー１４、１６の開閉は、車両コントローラ１２からのリレー駆動信号によって制御可能に構成される。
【００２３】
さらに、リレー７は、車両コントローラ１２からのリレー駆動信号に応じて、バッテリ１とインバータ２との間を導通させる状態（オン状態）、及びこれらの間を電気的に遮断する状態（オフ状態）が切り替わるように開閉する。特に、リレー７は、充電モード時に車両コントローラ１２からのオフ指令信号を受けると、バッテリ１とインバータ２との間を電気的に遮断するように開放する。
【００２４】
ＤＣＤＣコンバータ２０は、インバータ２からの直流電力を整流して、バッテリ１に供給する。より具体的には、ＤＣＤＣコンバータ２０は、リレー７がオフ状態となる充電モード時において、インバータ２からの直流電力（例えば４００Ｖ）をバッテリ１を充電するのに適した電圧（例えば３００Ｖ）に降圧して、バッテリ１に供給する。なお、本実施形態のＤＣＤＣコンバータ２０は非絶縁型であって、入力側と出力側が固定された片方向タイプを採用するものとするが、これに限られない。例えば、絶縁型であって、入力側と出力側を入れ替え可能な双方向タイプのＤＣＤＣコンバータ２０を採用してもよい。この場合は、例えば、モータ３を駆動していない状態において、換言すればモータ駆動モードが選択されていない場合において、バッテリ１の電力を、よりノイズが抑制された状態で交流電源１９に回生させることができる。
【００２５】
リアクトル１５、フィルタコンデンサ１８、ＥＭＩフィルタ（Electro Magnetic Interference filter；電磁障害除去フィルタ）１７は、上述の充電モードにおいて、特にインバータ２が有するスイッチング素子がスイッチングすることに起因して発生するノイズの影響が交流電源１９に及ぶことを抑制するために設けられる。換言すれば、本実施形態の充電装置２１は、インバータ２で発生するノイズを除去するために、インバータ２と交流電源１９との間において、リアクトル１５およびフィルタコンデンサ１８で構成されるいわゆるＬ−Ｃフィルタと、ＥＭＩフィルタ１７とからなるノイズ除去回路を備えている。
【００２６】
なお、本実施形態のリアクトル１５は、インバータ２とモータ３とを結線する３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のそれぞれと外部電源としての交流電源１９のホット側（非接地側）とを結線するラインにおいてリレー１６の後段（交流電源１９側）に設けられる。フィルタコンデンサ１８は、当該ラインと、中間電位点６ｃと交流電源１９のコールド側とを結線するラインとの間に設けられる。そして、ＥＭＩフィルタ１７は、インバータ２と交流電源１９のホット側を結線するラインと、中間電位点６ｃと交流電源１９のコールド側を結線するラインとに挿入される。
【００２７】
車両コントローラ１２は、モータ駆動モードでは、リレー１４、１６にオン／オフを指令するリレー駆動信号（リレー１４：オフ、リレー１６：オフとするオフ指令信号）を送信するとともに、ドライバによるアクセルペダルの操作量（アクセル操作量）に応じたトルク指令値Ｔ*を制御回路１１に出力する。
【００２８】
また、車両コントローラ１２は、充電モードでは、リレー１４、１６にオン／オフを指令するリレー駆動信号（リレー１４：オン、リレー１６：オンとするオン指令信号）を送信するとともに、交流電源１９の交流電力をバッテリ１に供給するための直流電力に変換するようにインバータ２を制御するトリガとなる充電指令を制御回路１１に出力する。
【００２９】
制御回路１１は、インバータ２が備えるパワー半導体素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６の駆動を制御する制御回路である。本実施形態の制御回路１１の構成は、ＣＰＵ等の各種演算・制御装置、ＲＯＭ及びＲＡＭ等の各種記憶装置、並びに入出力インターフェース等を備える１又は２以上のコントローラにより実現される。
【００３０】
制御回路１１は、リレー１４がオフ状態（開状態）で、且つリレー１６がオフ状態（開状態）であるモータ駆動モード時には、レゾルバ４等の回転位置検出器から取得されるモータ３の回転子位置、電流センサ５から取得されるインバータ２の出力電流、駆動回路１０から取得されるインバータ２のバッテリ１側（入力側）の直流電圧値（インバータ電圧）、および、車両コントローラ１２からのトルク指令値Ｔ*に基づいて、公知のいわゆる電流フィードバック制御（電流制御系）により、モータ３に所望のトルクを出力させるためのＰＷＭ信号を生成する。当該ＰＷＭ信号を生成するパルス幅変調制御については、図２（ａ）を参照して後述する。
【００３１】
一方、制御回路１１は、リレー１４がオン状態（閉状態）で、且つリレー１６がオン状態（閉状態）である充電モード時には、駆動回路１０から取得されるインバータ２のバッテリ１側（出力側）の直流電圧値（インバータ電圧）、電流センサ５から取得されるインバータ２への入力電流、および、交流電源１９から入力される交流電源の電圧値に基づいて、バッテリ１へ供給する電圧およびインバータ２への入力電流を所望の値に制御するためのＰＷＭ信号を生成する。当該ＰＷＭ信号を生成するパルス幅変調制御については、図２（ｂ）を参照して後述する。
【００３２】
なお、充電モード時における制御回路１１は、交流電力から入力される電力（皮相電力）に対するインバータ２への入力電力（有効電力）の入力力率が１、すなわちインバータ２への入力電流が正弦波となるように上記のＰＷＭ信号を制御することが好ましい。これにより、交流電源１９からの電力を効率よく取りだしてバッテリ１へ供給できるとともに、無効電力に起因する高調波成分が生成されることを抑制することができる。インバータ２がこのように制御されることで、充電モード時において、交流電源１９側へ上記高調波成分に起因するノイズが伝搬されることを抑制することができる。
【００３３】
駆動回路１０は、制御回路１１からのＰＷＭ信号に応じて、図２を参照して後述するパルス幅変調にてインバータ２が備えるパワーモジュール１３を駆動する駆動回路である。駆動回路１０は、インバータ電圧検出部と、パワーモジュール１３が有するパワー半導体素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６を駆動するための一般的な回路（ゲートドライブ回路）と、ゲートドライブ回路を介してパワー半導体素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６のゲートに電圧を印加するための電源とを含んで構成される。なお、インバータ電圧検出部が検出した直流電圧（インバータ電圧）は、制御回路１１に送信される。
【００３４】
なお、本実施形態の充電装置２１は、インバータ２と、平滑コンデンサ６と、駆動回路１０と、制御回路１１と、リレー１４、１６と、外部電源端子２２とを主に含んで構成される。
【００３５】
本実施形態のモータ制御システム１００は、上述した構成に基づいてリレー１４、１６のオンオフ（接続と非接続）を制御して、バッテリ１を電力源としてモータ３を駆動するモータ駆動モードと、外部の交流電源１９を電力源としてバッテリ１を充電する充電モードとの双方を実現可能に構成される。
【００３６】
ここで、インバータ２を制御する際のパルス幅変調制御の説明をする前に、本願発明の課題について説明する。
【００３７】
上記したとおり、モータ駆動システムにおいて、モータ駆動用に備わるインバータ２を構成するスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６を交流電力の充電用スイッチング素子として兼用する場合には、充電時にモータ３に不要な電流が流れることを防止する必要がある。このため、従来では、当該モータ３とインバータ２との間にリレー（スイッチ素子）を設け、当該リレーの開閉を制御することにより充電時にはモータ３とインバータ２との間の導通を遮断する構成が知られている（例えば特許文献１参照）。
【００３８】
しかしながら、モータ３とインバータ２との間にはモータ３を駆動するのに必要な大電流（例えば数百アンペア）が流れるので、当該電流の大きさに応じてリレーのサイズが大型化し、係るシステムのトータルコストが増大してしまうという問題がある。このような事情に鑑み、本願発明は、充電時にモータ３に不要な電流が流れることを防止するためのリレーが大型、高コスト化し、システムのトータルコストが増大することを課題とする。換言すれば、本願発明は、充電時にモータ３に不要な電流が流れることを防止するために要するコストが増大することを防止することを課題とする。より具体的には、本願発明は、モータ３とインバータ２との間にリレーを設けることなく、充電時にモータ３に不要な電流が流れること防止することができる技術を提供することを課題とする。以下、当該課題を解決するための制御方法について説明する。
【００３９】
具体的には、本実施形態の充電制御装置２１は、充電モード時において、インバータ２と交流電源１９のホット側とを接続するとともに、中間電位点６ｃと交流電源１９のコールド側とを接続し、以下に説明するパルス幅変調制御によってインバータ２を制御することにより上記課題を解決する。当該パルス幅変調制御の詳細について図２を参照して説明する。
【００４０】
なお、制御回路１１を構成するコントローラは、各制御モードに応じてリレー１４、１６のオン／オフを切り替えるとともに、各制御モードに応じて以下に説明するパルス幅変調制御を実行するようにプログラムされている。
【００４１】
図２は、本実施形態の充電制御装置２１が実行する各動作モード（モータ駆動モード、充電モード）時におけるインバータ２のパルス幅変調制御方法を説明する図である。図２（ａ）はモータ駆動モード時におけるパルス幅変調を示し、図２（ｂ）は充電モード時におけるパルス幅変調を示している。また、図２（ａ）（ｂ）ともに、上から順にＵ相電圧、Ｖ相電圧、Ｗ相電圧、Ｕ相−Ｖ相間の線間電圧、Ｖ相−Ｗ相の線間電圧、Ｗ相−Ｕ相の線間電圧を示している。
【００４２】
まず、リレー１４が開（オフ）状態で且つリレー１６が開（オフ）状態となることによりモータ３とインバータ２との間の導通が確保された状態でインバータ２と交流電源１９との間が遮断されると、モータ駆動モードが開始される。
【００４３】
図２（ａ）で示されるように、モータ駆動モード時は、各相に所望の電流が流れるようにパルス幅変調された線間電圧を生成するために、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に異なるパターン周期の電圧が印加される。これにより、モータ３の各相には線間電圧に応じた電流が印加されてモータ３に所望のトルクを発生させることができる。
【００４４】
一方で、制御回路１１に充電指令が入力され、リレー１４が閉（オン）状態で且つリレー１６が閉（オン）状態となることによりインバータ２と交流電源１９との間が導通すると、充電モードが開始される。
【００４５】
充電モード時では、各線間に電流が流れないようにパルス幅変調制御が実行される。すなわち、本実施形態の充電制御装置２１は、図２（ｂ）で示されるように、充電モード時に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に同様のパターンの電圧を印加することにより、各相間の線間電圧が０となるようにパルス幅変調制御を実行する。換言すると、本実施形態の充電制御装置２１は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相のパワーモジュール１３（パワー半導体素子）のスイッチングが同期するように制御して、充電モードを実行する。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に同様のパターン周期で電圧が印加されることにより、各相間の電圧差が０となるので、各相に流れる電流も０となる。充電モード時のパルス幅変調制御がこのように実行されることにより、充電モード時にモータ３に電流が流れることを回避することができる。
【００４６】
すなわち、本実施形態のパルス幅変調制御方法によれば、モータ駆動用に備わるインバータ２を構成するパワー半導体素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６を交流電力の充電用スイッチング素子として兼用する場合であっても、モータ３とインバータ２との間にリレー等のスイッチ素子を設けることなく、充電モード時にモータ３に不要な電流が流れること防止することができる。その結果、モータ制御システム１００において、モータ３とインバータ２との間を流れる大電流に対応するような大型のリレーが不要となるので、当該システムのサイズ、および、コストが増大することを抑制することができる。
【００４７】
続いて、図３を参照して、各動作モード（モータ駆動モード、充電モード）時における充電制御装置２１の動作、特にインバータ２のスイッチング周波数の制御について説明する。
【００４８】
図３は、各動作モード時における充電制御装置２１の動作を説明するための図である。横軸は時間を表し、縦軸は上から順に、動作モード、リレー１４（中間電位点６ｃ−交流電源１９のコールド側間）の開閉状態、リレー１６（インバータ２−交流電源１９のホット側間）の開閉状態、および、インバータ２のスイッチング周波数を示している。
【００４９】
リレー１４が開（オフ）状態で且つリレー１６が開（オフ）状態となることによりインバータ２と交流電源１９との間の導通が遮断されると、モータ駆動モードが開始される（図３中の「運転開始」を参照）。モータ駆動モードでは、トルク指令値Ｔ*に応じて、レゾルバ４が取得するモータ３の回転子位置と電流センサ５が取得するインバータ２の出力電流とをフィードバックして所望のトルクを出力するようにモータ３の駆動を上述のパルス幅変調によって制御する。この際、インバータ２が備えるパワーモジュール１３のスイッチング周波数は、モータ３に所望のトルクを発生させつつも、モータ３やインバータ２の損失増加を抑制する観点から、一般的に数ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度で動作するように制御される（本実施形態では図示する通り１０ｋＨｚで制御されるものとする）。
【００５０】
次に、充電モード時の動作について説明する。制御回路１１に充電指令が入力され、リレー１４が閉（オン）状態で且つリレー１６が閉（オン）状態となることによりインバータ２と交流電源１９との間が導通すると、充電モードが開始される（図３中の「充電開始」を参照）。
【００５１】
ここで、充電モード時においても、インバータ２をモータ駆動モード時と同様のスイッチング周波数で駆動すると次のような問題が生じる。すなわち、充電装置２１が有するノイズ除去回路を構成するフィルタ等（リアクトル１５、フィルタコンデンサ１８、及び、ＥＭＩフィルタ１７）は、除去（抑制）する対象の周波数が小さいほどサイズが大きいものになる。また、該ノイズ除去回路が抑制する対象のノイズ周波数は、原則としてインバータ２のスイッチング周波数に対応する。したがって、インバータ２をモータ駆動モード時と同様の１０ｋＨｚ程度のスイッチング周波数で駆動すると、ノイズ除去回路を構成するフィルタ等に要求されるサイズが大きくなってしまう。
【００５２】
すなわち、モータ制御システム１００においてモータ駆動モードと充電モードの双方を実現する充電装置２１を構成するに際して、インバータ２と平滑コンデンサ６とから構成される力率改善回路（ＰＦＣ回路）を単純に共有化するだけでは、ノイズ除去回路の構成部品のサイズとコストとが大きくなってしまう。またさらに、ノイズ除去回路の構成部品のサイズが大きくなると、これら部品の温度上昇を抑制するために設けられる多数の放熱フィンが冷媒の流れを阻害するために該冷媒の圧力損失を増大させてしまうという問題もある。
【００５３】
そこで、本実施系形態の充電装置２１では、充電モード時において上述のパルス幅変調制御によってインバータ２を制御する際のスイッチング周波数をモータ駆動モード時よりも高い周波数に設定するのが好ましい。図３では、ノイズ除去回路の構成部材のサイズとコストとを許容できる大きさに抑制できるスイッチング周波数として、スイッチング周波数が６０ｋＨｚに設定された例を示している。なお、スイッチング周波数の上限は特に設定されず、例えば１００ｋＨｚ等であってもよい。これにより、モータ駆動モードと充電モードの双方を実現する充電装置２１を構成する場合において、ノイズ除去回路の構成部品のサイズとコストとが増大することを抑制することができる。
【００５４】
なお、充電モード中にスイッチング周波数を高めることを考慮して、パワー半導体素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６を上述のＩＧＢＴよりも高い周波数でスイッチングすることが可能な半導体素子で構成してもよい。具体的には、パワー半導体素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６を、例えば、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）やＧａＮ（ガリウムナイトライド）等を用いたパワー半導体素子（例えばＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ等）を用いて構成してもよい。
【００５５】
なお、上述のとおり、充電モード中のスイッチング周波数をモータ駆動モード時よりも高めた場合であっても、交流電源１９からの交流電力を直流電力に変換する際の損失を低く抑えることが可能である。その理由について図４を用いて説明する。
【００５６】
図４は、本実施形態のインバータ２が備えるパワー半導体素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６の半導体特性（静特性）の一例を示す図である。横軸は電圧（コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅ）を示し、縦軸は電流（コレクタ電流Ｉｃ）を示している。また、インバータ２で生じる損失は、流れる電流に電圧を乗じることにより算出される。すなわち、モータ駆動時に生じる損失は、モータ駆動時の最大電流に、対応する電圧（Ｖｃｅ（ｓａｔ）２）を乗じることにより算出することができる。同様に、充電時に生じる損失は、充電時の最大電流に、対応する電圧（Ｖｃｅ（ｓａｔ）１）を乗じることにより算出することができる。
【００５７】
図示するとおり、充電時の損失は、モータ駆動時の損失よりも小さいことが分かる。ここで、モータ制御システム１００の設計において、インバータ２が備えるパワー半導体素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６はインバータ２への入出力電流の最大値を考慮して選定される。すなわち、本実施形態のパワー半導体素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６は、モータ駆動時に要する入出力電流を考慮して選定されるので、充電時における動作点はその能力に対して十分に余裕があることになる。したがって、充電モードにおいてスイッチング周波数を上記のように高めても、パワー半導体素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６の能力的には十分に余裕があるため、損失を増大させることなく交流電源１９からの交流電力を直流電力に変換することができる。
【００５８】
以上、第１実施形態の充電制御装置２１が行う充電制御方法は、バッテリ１と、モータ３と、バッテリ１の直流電力を交流電力に変換してモータ３に供給するインバータ２と、インバータの高電圧端子と低電圧端子との間に配置される平滑コンデンサ６とを備える車両において、外部電源端子２２をさらに備え、インバータ２が外部電源端子２２に供給される交流電力を直流電力に変換してバッテリ１に供給する充電制御方法である。平滑コンデンサ６は、直列に接続された少なくとも二つのコンデンサ６ａ、６ｂにより構成される。そして、バッテリ１を充電する時は、インバータ２のモータ３側の全ての出力端子２ｕ、２ｖ、２ｗと外部電源端子２２の第１端子２２ａとを接続するとともに平滑コンデンサ６の中間電位となる部位（中間電位点６ｃ）と外部電源端子２２の第２端子２２ｂとを接続し、インバータ２を構成する複数相のスイッチング素子（パワーモジュール１３）を同期して動作させることにより交流電源１９からの交流電力を直流電力に変換する。また、第１実施形態の充電制御装置２１によれば、バッテリ１を充電する時は、インバータ２のモータ３の全ての出力端子２ｕ、２ｖ、２ｗとモータ３とを結ぶ各線が第１端子２２ａに接続される。
【００５９】
これにより、モータ駆動用に備わるインバータ２を構成するパワー半導体素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６を交流電力の充電用スイッチング素子として兼用する場合であっても、モータ３とインバータ２との間にリレー等のスイッチ素子を設けることなく、充電モード時にモータ３に不要な電流が流れること防止することができる。その結果、モータ３とインバータ２との間の導通を遮断するための大型のリレーが不要となるので、充電制御装置のサイズ、および、製造コストが増大することを抑制することができる。
【００６０】
［第２実施形態］
以下では、第２実施形態のモータ制御システム２００について説明する。本実施形態のモータ制御システム２００は、リレー１６が、モータ３の中性点３ｃと外部電源端子２２の第１端子２２ａを結線するライン上に設けられている点が上記実施形態と相違する。以下、図５を参照して、上記実施形態との相違点を中心に説明する。
【００６１】
上記の通り、本実施形態では、リレー１６が、モータ３の中性点３ｃと第１端子２２ａとを結線するライン、すなわち、モータ３と中性点３ｃと交流電源１９のホット側とを結線するライン上に設けられている。このため、本変形例における充電モード時にリレー１６が閉（オン）状態に制御されると、インバータ２と交流電源１９とがモータ３の中性点３ｃを介して接続される。
【００６２】
本実施形態がこのように構成されることにより、充電モード時にリレー１６が閉状態となると、インバータ２と交流電源１９とを結線するラインにおいて、モータ３が有するインダクタンス成分（いわゆる零相インダクタンス）を利用することが可能となる。その結果、上記実施形態にかかる充電装置２１ではノイズ除去回路を構成する一部品であったリアクトル１５の機能をモータ３が有するインダクタンス成分によって賄えることができるので、本実施形態におけるノイズ除去回路からはリアクトル１５を削除することができる。
【００６３】
また、本実施形態では、インバータ２と交流電源１９との結線がモータ３の中性点３ｃを介した一本のラインでなされるので、当該ラインに設けられるリレー１６は一個で足りる。従って、上記実施形態に比べて、リレー１６の個数を２個低減することができる。すなわち、本実施形態によれば、第１実施形態に比べて部品点数をさらに減らし、コストをより低減させることができる。
【００６４】
このような構成においても、上述の実施形態と同様のパルス幅変調制御によってインバータ２を制御することにより、モータ３とインバータ２との間にリレー等のスイッチ素子を設けることを要さずに、充電モード時にモータ３に電流が流れることを回避することができる。
【００６５】
以上、第２実施形態の充電制御装置２１によれば、バッテリ１を充電する時は、インバータ２のモータ３側の全ての出力端子２ｕ、２ｖ、２ｗと外部電源端子２２の第１端子２２ａとがモータ３の中性点３ｃを介して接続される。これにより、インバータ２と交流電源１９とを結線するラインにおいてモータ３が有するインダクタンス成分を利用することができるので、第１実施形態に比べて、少なくともリアクトル１５を含む部品点数を削減し、製造コストを低減することができる。
【００６６】
［第１変形例］
以下では、上記実施形態の変形例としての第１変形例のモータ制御システム３００について説明する。以下、図６を参照して、上記実施形態との相違点を中心に説明する。
【００６７】
本変形例にかかるモータ制御システム３００は、上記実施形態に備わるＤＣＤＣコンバータ２０に替えて、パワーモジュール１３とリアクトル２４とで構成された双方向の非絶縁型ＤＣＤＣコンバータを備えている。このような構成とすることにより、特にバッテリ１とインバータ２との間の回路構成をよりシンプルに小型化することができ、コストを低減することができる。なお、リレー７は、例えばモータ駆動モードにおいて、バッテリ１の充電量が所定の基準値より低下した電欠状態となる等、バッテリ１が正常でないと判断された場合に、車両コントローラ１２からのリレー駆動信号によりバッテリ１とパワーモジュール１３との間を電気的に遮断することが可能なように構成される。
【００６８】
このような構成によっても、上述の実施形態と同様のパルス幅変調制御によってインバータ２を制御することにより、モータ３とインバータ２との間にリレー等のスイッチ素子を設けることを要さずに、充電モード時にモータ３に電流が流れることを回避することができる。なお、パワーモジュール１３を含んで構成された双方向の非絶縁型ＤＣＤＣコンバータは、モータ駆動モード時には昇圧コンバータとして機能することもできる。
【００６９】
［第２変形例］
以下では、上記実施形態の変形例としての第２変形例のモータ制御システム４００について説明する。本変形例のモータ制御システム４００は、外部電源としての三相の交流電源２９から供給される電力を用いてバッテリ１を充電可能に構成される点が上記実施形態と異なっている。以下、図７を参照して、上記実施形態との相違点を中心に説明する。
【００７０】
上記の通り、本変形例ではバッテリ１を充電するための電力を外部の三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流電源２９から供給する。そのため、本変形例では、上記実施形態に係る構成に対してパワーモジュール２３が追加される。また、外部電源端子２２には、外部の３相の交流電源１９に対応して、第３端子２２ｃが追加される。
【００７１】
パワーモジュール２３は、上アームのパワー半導体素子Ｔｒ９と、下アームのパワー半導体素子Ｔｒ１０と、これらと逆並列に接続されたダイオードＤ９、１０とを備えて構成される。そして、本変形例では、パワーモジュール２３の中間点と第３端子２２ｃ、すなわち、パワーモジュール２３の中間点と交流電源２９の任意の１相とが結線される。
【００７２】
すなわち、本変形例では、インバータ２とモータ３とを結線する３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のそれぞれと交流電源２９の三相の内の任意の一相とが結線され、パワーモジュール２３の中間点と交流電源２９の三相の内の任意の一相とが結線され、平滑コンデンサ６の中間電位点６ｃと交流電源２９の三相の内の任意の一相とが結線される。
【００７３】
そして、リレー１６は、インバータ２の各相のそれぞれと交流電源２９の三相の内の任意の一相とを結線する３相のラインにそれぞれ設けられ、インバータと交流電源２９との間を導通させる状態（オン状態）、および、これらを電気的に遮断する状態（オフ状態）が切り替わるように開閉する。
【００７４】
また、リレー１４は、パワーモジュール２３の中間点と交流電源２９の三相の内の任意の一相とを結線するライン、および、平滑コンデンサ６の中間電位点６ｃと交流電源２９の三相の内の任意の一相とを結線するラインにそれぞれ設けられ、インバータと交流電源２９との間を導通させる状態（オン状態）、および、これらを電気的に遮断する状態（オフ状態）が切り替わるように開閉する。
【００７５】
そして、リレー１４、１６は、上記実施形態と同様に、モータ駆動モード時には双方とも開（オフ）状態となるように制御され、充電モード時には双方とも閉（オン）状態となるように制御される。
【００７６】
そして、充電モード時において、インバータ２を構成するパワーモジュール１３と、新たに追加されたパワーモジュール２３とが、交流電源２９からの三相の交流電力をバッテリ１を充電するための直流電力に変換するために駆動される。これにより、充電制御装置２１は、外部電源端子２２に接続される外部の３相の交流電源２９を、バッテリ１を充電する際の電源として利用することができる。
【００７７】
なお、パワーモジュール２３は、充電モード時にのみ動作するので、モータ３を駆動するのに要する電流を考慮して選定する必要はない。したがって、モータ駆動に係る大電流に対応させる必要はないので、パワーモジュール１３に対して小型で低価格の半導体を適用することができる。同様に、パワーモジュール１３の中間点と交流電源２９とを結線するライン上に設けられる電流センサ５も、充電モード時に流れる電流のみを考慮すればよいので、小型で低価格の電流センサを適用することができる。
【００７８】
このような構成によっても、充電モード時に上述の実施形態と同様のパルス幅変調制御によってインバータ２を制御することにより、モータ３とインバータ２との間にリレー等のスイッチ素子を設けることを要さずに、充電モード時にモータ３に電流が流れることを回避することができる。
【００７９】
なお、本変形例のノイズ除去回路についても、外部の三相の交流電源１９に対応するように構成される。具体的には、本実施形態のリアクトル１５は、図示のとおり、リレー１６の後段（交流電源２９側）および、リレー１４の後段において、それぞれのラインに設けられる。また、フィルタコンデンサ１８は、インバータ２の各相のそれぞれと交流電源２９の三相の内の任意の一相とを結線するラインと、パワーモジュール２３の中間点と交流電源２９の三相の内の任意の一相とを結線するラインとの間、および、パワーモジュール２３の中間点と交流電源２９の三相の内の任意の一相とを結線するラインと、平滑コンデンサ６の中間電位点６ｃと交流電源２９の三相の内の任意の一相とを結線するラインとの間において、それぞれリアクトル１５の後段に設けられる。
【００８０】
また、ＥＭＩフィルタ１７は、インバータ２、パワーモジュール２３の中間点、および平滑コンデンサ６の中間電位点６ｃと交流電源２９とを結線する３つのラインにおいて、フィルタコンデンサ１８の後段（最も外部電源端子２２に近い箇所）に挿入される。
【００８１】
以上、本発明の実施形態、及びその変形例について説明したが、上記実施形態及び変形例は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。また、上記実施形態、及びその変形例は、適宜組み合わせ可能である。
【００８２】
例えば、変形例１のモータ制御システム３００は外部の単相の交流電源１９に対応した構成であるが、変形例３のように外部の三相の交流電源２９に対応した構成であってもよい。
【００８３】
また、モータ制御システム１００〜４００の構成は、上述した上記課題に対応する作用効果を奏する限り図１、および５〜７に表されたものに限定されない。例えば、リレー１４、１６の開閉を車両コントローラ１２が制御する必要は必ずしもなく、制御回路１１が制御するように構成してもよい。また、制御回路１１と車両コントローラ１２とは必ずしも別個に構成される必要はなく、統合された一つのコントローラで実現されても良い。
【００８４】
また、充電モードを開始するトリガは、上述した車両コントローラ１２からの充電指令に限られない。例えば、交流電源１９、２９が外部電源端子２２に接続されたこと、すなわち、ＡＣ電源電圧が検出されたことをトリガとして充電モードを開始するように構成されてもよい。
【符号の説明】
【００８５】
１…バッテリ
２…インバータ
２ｕ、２ｖ、２ｗ…出力端子
３…モータ
６…平滑コンデンサ
６ａ、６ｂ…コンデンサ
６ｃ…中間電位点（中間電位となる部位）
１１…制御回路（コントローラ）
１２…車両コントローラ（コントローラ）
１４、１６…リレー（接続切替部）
Ｔｒ１〜Ｔｒ６…パワー半導体素子（スイッチング素子）
２２…外部電源端子
２２ａ…第１端子
２２ｂ…第２端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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