(57)【要約】【課題】単一のモータしか有さないシステムにも適用でき、かつ、別個のＤＣ／ＡＣ変換器を用いることなく交流電力を外部に出力する。【解決手段】直流電源（バッテリ）１０にリアクトル１４を有するコンバータ１２が接続され、コンバータ１２にインバータ１８及びモータ２０が接続される。コントローラ２６でインバータ１８を制御してモータ２０を駆動する。モータ２０の中性点２２と、リアクトル１４の直流電源１０側との間に出力端子２８を接続する。コントローラ２６は、インバータ１８をスイッチング制御してモータ２０の中性点２２の電位を周期的に変位させることで交流電力を出力する。【選択図】図１
2010028907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、
前記直流電源に接続された、リアクトルを有するコンバータと、
前記コンバータに接続されたインバータと、
前記インバータに接続されたモータと、
前記インバータをスイッチング制御して前記モータを駆動するコントローラと、
前記モータの中性点と、前記リアクトルの両端のいずれかとの間に接続された交流電力出力端子と、
を有し、前記コントローラは前記インバータをスイッチング制御して前記モータの前記中性点の電位を周期的に変位させることで前記交流電力出力端子から交流電力を出力することを特徴とする電力制御装置。
【請求項２】
直流電源と、
前記直流電源に接続された、リアクトルを有するコンバータと、
前記コンバータに接続されたインバータと、
前記インバータに接続されたモータと、
前記インバータをスイッチング制御して前記モータを駆動するコントローラと、
前記直流電源の負側に接続されたコンデンサと、
前記モータの中性点と、前記コンデンサとの間に接続された交流電力出力端子と、
を有し、前記コントローラは前記インバータをスイッチング制御して前記モータの前記中性点の電位を周期的に変位させることで前記交流電力出力端子から交流電力を出力することを特徴とする電力制御装置。
【請求項３】
直流電源と、
前記直流電源に接続されたインバータと、
前記インバータに接続されたモータと、
前記インバータをスイッチング制御して前記モータを駆動するコントローラと、
前記直流電源の負側に接続されたコンデンサと、
前記モータの中性点と、前記コンデンサとの間に接続された交流電力出力端子と、
を有し、前記コントローラは前記インバータをスイッチング制御して前記モータの前記中性点の電位を周期的に変位させることで前記交流電力出力端子から交流電力を出力することを特徴とする電力制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の装置において、さらに、
前記モータのトルクと前記交流電力の出力のいずれを優先するかを設定する設定手段を有することを特徴とする電力制御装置。
【請求項５】
請求項４記載の装置において、
前記設定手段で前記交流電力の出力を優先するように設定された場合、前記コントローラは前記モータのトルクを制限するように前記インバータをスイッチング制御することを特徴とする電力制御装置。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれかに記載の装置において、
前記コントローラは、前記モータの回転数が一定値以上である場合に前記交流電力の出力を禁止することを特徴とする電力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力制御装置、特に、直流電源とインバータを用いてモータを駆動する構成において交流電力を出力する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、直流電源とインバータとを備え、インバータのスイッチング素子をオンオフ制御することで三相モータを駆動する構成が知られているが、交流を外部に出力する際には別個のＤＣ／ＡＣ変換器を用いる必要がある。一方、下記の特許文献１には、第１及び第２のモータ（モータジェネレータ）を備え、第１のモータを第１のインバータで駆動し、第２のモータを第２のインバータで駆動する構成において、第１及び第２のモータのスター結線された固定子巻線の中性点間に交流電圧を発生させるように第１及び第２のインバータの動作を制御することが開示されている。すなわち、第１のインバータはコントローラからのＰＷＭ信号に基づいて直流電圧を交流電圧に変換して第１のモータに供給し、第２のインバータはコントローラからのＰＷＭ信号に基づいて直流電圧を交流電圧に変換して第２のモータに供給する。第１のモータと第２のモータの中性点間に接続されたＡＣコンセントに接続された外部交流負荷への交流電圧の出力要求がなされた場合、第１のモータの中性点の電位をインバータ入力電圧の中間電位よりも高くし、第２のモータの中性点の電位をインバータ入力電圧の中間電位よりも低くなるように制御して、中性点間に正側の交流電圧を発生させる。次に、第１のモータの中性点の電位をインバータ入力電圧の中間電位よりも低くし、第２のモータの中性点の電位をインバータ入力電圧の中間電位よりも高くなるように制御して、中性点間に負側の交流電圧を発生させる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１５８０１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の従来技術では、第１のモータ及び第２のモータの中性点間にＡＣコンセントを接続して交流電力を出力する構成であるため、２つのモータを有するシステムでしか利用できない問題がある。したがって、シリーズ方式のハイブリッド車両等には適応可能であるが、１つのモータしか有さない車両には適用できない等、汎用性に欠ける問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、単一のモータしか有さないシステムにも適用でき、かつ、別個のＤＣ／ＡＣ変換器を用いることなく交流電力を外部に出力することができる装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、直流電源と、前記直流電源に接続された、リアクトルを有するコンバータと、前記コンバータに接続されたインバータと、前記インバータに接続されたモータと、前記インバータをスイッチング制御して前記モータを駆動するコントローラと、前記モータの中性点と、前記リアクトルの両端のいずれかとの間に接続された交流電力出力端子とを有し、前記コントローラは前記インバータをスイッチング制御して前記モータの前記中性点の電位を周期的に変位させることで前記交流電力出力端子から交流電力を出力することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明は、直流電源と、前記直流電源に接続された、リアクトルを有するコンバータと、前記コンバータに接続されたインバータと、前記インバータに接続されたモータと、前記インバータをスイッチング制御して前記モータを駆動するコントローラと、前記直流電源の負側に接続されたコンデンサと、前記モータの中性点と、前記コンデンサとの間に接続された交流電力出力端子とを有し、前記コントローラは前記インバータをスイッチング制御して前記モータの前記中性点の電位を周期的に変位させることで前記交流電力出力端子から交流電力を出力することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、直流電源と、前記直流電源に接続されたインバータと、前記インバータに接続されたモータと、前記インバータをスイッチング制御して前記モータを駆動するコントローラと、前記直流電源の負側に接続されたコンデンサと、前記モータの中性点と、前記コンデンサとの間に接続された交流電力出力端子とを有し、前記コントローラは前記インバータをスイッチング制御して前記モータの前記中性点の電位を周期的に変位させることで前記交流電力出力端子から交流電力を出力することを特徴とする。
【０００９】
本発明の１つの実施形態では、前記モータのトルクと前記交流電力の出力のいずれを優先するかを設定する設定手段をさらに有する。設定手段で前記交流電力の出力を優先するように設定された場合、前記コントローラは前記モータのトルクを制限するように前記インバータをスイッチング制御する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、複数のモータを有するシステムに加え、単一のモータしか有さないシステムにも適用でき、かつ、別個のＤＣ／ＡＣ変換器を用いることなく交流電力を外部に出力することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
＜第１実施形態＞
図１に、本実施形態の構成を示す。車載バッテリ等の直流電源１０に昇圧コンバータ１２が接続される。昇圧コンバータ１２は、互いに直列接続された一対のスイッチングトランジスタとこれらに逆並列接続されたダイオードと、一対のスイッチングトランジスタの接続点と直流電源１０との間に接続された平滑リアクトル１４を有する。昇圧コンバータ１２は、コントローラ２６からの制御信号に基づいて、スイッチングトランジスタのオンオフ制御により流れる電流を平滑リアクトル１４に磁場エネルギとして蓄積することにより直流電源１０からの直流電圧を昇圧する。昇圧コンバータ１２には平滑コンデンサ１６を介してインバータ１８が接続され、インバータ１８にはモータ２０が接続される。インバータ１８は、三相インバータであり、Ｕ相アーム、Ｖ相アーム及びＷ相アームを有する。これらのアームは、正側母線（電源ライン）と負側母線との間に並列に接続される。それぞれのアームは、互いに直列接続された一対のスイッチングトランジスタ及びそれぞれのスイッチングトランジスタに逆並列接続されたダイオードから構成される。各相アームのスイッチングトランジスタの接続点は、Ｕ相ライン、Ｖ相ライン、Ｗ相ラインを介してモータ２０のＵ，Ｖ，Ｗ各相コイルの反中性点側にそれぞれ接続される。インバータ１８は、コントローラ２６からのＰＷＭ信号に基づいて、入力電圧（直流電圧）を交流電圧に変換してモータ２０に供給する。これにより、モータ２０は所望のトルクを発生するように駆動される。また、モータ２０の中性点２２とリアクトル１４の直流電源１０側との間に高調波フィルタ２４を介して出力端子２８が接続される。コントローラ２６は、直流電源１０の電圧（電池電圧）、リアクトル電流、コンデンサ電圧、モータ線電流、モータ回転子角度、中性点電流、交流出力電圧とに基づいて、インバータ１８を駆動するためのＰＷＭ信号を生成してインバータ１８のスイッチングトランジスタに供給し、これらのスイッチングトランジスタをオンオフ制御する。
【００１３】
インバータ１８の上アームのオンデューティから下アームのオンデューティを減算したものをデューティの総和とすると、デューティの総和が正の場合はモータ２０の中性点２２の電位はインバータ入力電圧の中心電位よりも高くなる。一方、デューティの総和が負の場合には、中性点２２の電位はインバータ入力電圧の中心電位よりも低くなる。そこで、コントローラ２６は、インバータ１８のデューティの総和が商用交流周波数で周期的に変化するようにインバータ２０の各スイッチングトランジスタをオンオフ制御する。出力端子２８の一方の端子（第１端子）はモータ２０の中性点２２に接続されるから、この第１端子はインバータ入力電圧の中心電位を基準として周期的に変化することになる。もちろん、デューティを調整することで周期的に変化する際の基準電位をインバータ入力電圧の中心電位から任意に上方あるいは下方へとシフトさせることができる。
【００１４】
一方、出力端子２６の他方の端子（第２端子）は、上記のように平滑リアクトル１４の直流電源１０側に接続される。したがって、この第２端子は直流電源１０の電位に等しい。よって、モータ２０の中性点２２の周期的に変化する電位の基準電位を直流電源１０の電位に等しくなるように制御することで、出力端子２８からは直流分のない交流出力が得られることになる。直流電源１０の電位は時間とともに変動するが、コントローラ２６は直流電源１０の電圧（電池電圧）を監視し、中性点２２の周期的に変換する電位の基準点を随時調整すればよい。
【００１５】
＜第２実施形態＞
図２に、本実施形態の構成を示す。図１では、出力端子２８の第１端子はモータ２０の中性点２２に接続され、第２端子は平滑リアクトル１４の直流電源１０側に接続されているが、図２では、出力端子２８の第２端子は平滑リアクトル１４のインバータ１８側（あるいはチョッパ側）に接続される。平滑リアクトル１４のインバータ１８側の電位は、直流電源１０を充放電する場合にその時間平均として直流電源１０の電位にほぼ等しくなる。したがって、上記の第１実施形態と同様に、モータ２０の中性点２２の周期的に変化する電位の基準電位を直流電源１０の電位に等しくなるように制御することで、出力端子２８からは直流分のない交流出力が得られる。
【００１６】
＜第３実施形態＞
図３に、本実施形態の構成を示す。図１では、出力端子２８の第１端子はモータ２０の中性点２２に接続され、第２端子は平滑リアクトル１４の直流電源１０側に接続されているが、図３では、出力端子２８の第２端子は平衡コンデンサ３０に接続され、平衡コンデンサ３０は直流電源１０の負側に接続される。平衡コンデンサ３０を接続することで、出力端子２８の第２端子の電位がインバータ入力電圧の中心電位となる。したがって、モータ２０の中性点２２の周期的に変化する電位の基準電位をインバータ入力電圧の中心電位となるように調整することで、直流分のない交流出力が得られる。そして、この場合には、出力交流電圧の振幅は、直流電源１０の電圧に制約されることなく、インバータ入力電圧の半分まで得ることができる。
【００１７】
＜第４実施形態＞
図４に、本実施形態の構成を示す。図３と異なる点は、昇圧コンバータ１２が接続されておらず、直流電源１０が直接インバータ１８に接続されている点である。この構成によっても、直流分のない交流電力を出力することができる。
【００１８】
＜第５実施形態＞
図５に、本実施形態の構成を示す。図１の構成に加え、第２のモータ２１とこのモータ２１を駆動するための第２のインバータ１９を接続した場合、すなわち複数のモータを有するシステムに適用した場合である。インバータ１８はモータ２０を駆動し、インバータ１９はモータ２１を駆動する。従来装置では、２つのモータの中性点間に交流電力出力端子が接続されるが、本実施形態では２つのモータ２０，２１のうちの一方のモータ２０の中性点２２と平滑リアクトル１４の直流電源１０側との間に高調波フィルタ２４を介して出力端子２８が接続される。この構成によっても、図１と同様に直流分のない交流電力を出力することができる。
【００１９】
なお、図５の構成において、出力端子２８の第２端子を図２のように平滑リアクトル１４のインバータ側に接続してもよく、あるいは出力端子の第２端子を図３のように平衡コンデンサ３０に接続し、平衡コンデンサ３０を直流電源１０の負側に接続してもよい。
【００２０】
また、図５の構成において、モータ２１の中性点には出力端子２８は接続されないため、モータ２１は影響を受けることはない。但し、モータ２０、２１はインバータ入力電圧が共通であるため、コントローラ２６は、交流電力を出力するに際してモータ２０、２１それぞれの必要電圧を考慮しつつ制御することが好適である。
【００２１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、モータ２０の駆動とは独立に中性点２２の電位を制御することができるものの、直流電源１０の電力から交流電力を生成していることに変わりないため、走行に必要な電力を考慮して交流出力を決定することが好適である。
【００２２】
図６に、走行に必要な電圧と交流出力に必要な電圧の分配を示す。図において、横軸は車速であり、縦軸はモータ２０の線間電圧である。車速はモータ回転数と対応しており、この図は最大トルクを出力するときの速度に対する必要電圧を示す。もともと必要な最大電圧をＶｍａｘとし、これに交流出力に必要な電圧を加えるとＶＡＣｍａｘになるとする。その差Ｖａは出力する交流の実効値をＶａｃとすると、
Ｖａ＝（２／３）０．５Ｖａｃ
となる。図において、実線が交流出力しない場合、破線が交流出力する場合の必要電圧である。交流出力する場合には、最大電圧が上昇するためインバータ１８のスイッチング素子やコンデンサ１６の耐圧を上げる必要が生じるが、トルク出力を制限することで、ある程度は電圧の上昇を回避することができる。しかしながら、ある速度（ｖ１）以上ではモータ２０の誘起電圧が高くなりトルク制限の余裕がなくなるので、これ以上は耐圧内でモータ駆動と交流電力出力とは両立できない。すなわち、速度ｖ１以上（モータ２０の回転数が一定値以上）では交流出力は禁止されることになり、速度ｖ１より小さい範囲において交流出力が許容される。
【００２３】
モータトルクに制限をかけるか否かは、走行と交流出力のいずれを優先するかで決定される。例えば、車両の操作パネル上に切替スイッチを設け、このスイッチによりいずれを優先するかをユーザが決定する。走行を優先する場合にはトルク制限をかけず、交流出力を優先する場合にはトルク制限をかけてモータ駆動と交流電力出力とを両立させる。上り坂や加速時等、モータトルクが必要な状況をシステム側で自動的に判別してトルク制限の可否を自動設定してもよい。ＧＰＳの地図データと連動し、地図データからモータトルクの必要性を判別してもよい。
【００２４】
また、複数のモータを駆動するシステムの場合、上記の判断をそれぞれのモータで行う必要がある。すなわち、それぞれのモータの回転数とトルク指令から必要な電圧を算出し、それぞれのモータで交流出力するだけの余裕があるかどうかを判断し、いずれのモータもトルク制限できない範囲でなければ交流出力を行えばよい。
【００２５】
また、交流電力出力を例に説明したが、逆に交流電力入力（外部から交流電力を入力し直流電源を充電もしくはモータを駆動）することも可能である。この場合、交流電流を計測し、力率が負となるように制御するとよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１実施形態の構成図である。
【図２】第２実施形態の構成図である。
【図３】第３実施形態の構成図である。
【図４】第４実施形態の構成図である。
【図５】第５実施形態の構成図である。
【図６】モータトルクと交流出力の配分説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０  直流電源（バッテリ）、１２  コンバータ、１４  平滑リアクトル、１６  平滑コンデンサ、１８  インバータ、２０  モータ、２２  中性点、２４  高調波フィルタ、２６  コントローラ、２８  出力端子。
【図１】
2010028907.tif 000003
【図２】
2010028907.tif 000004
【図３】
2010028907.tif 000005
【図４】
2010028907.tif 000006
【図５】
2010028907.tif 000007
【図６】
2010028907.tif 000008