(57)【要約】【課題】  運転状態により励磁電流指令を調整し、システム効率を改善した電気自動車用電力変換装置を提供する。【解決手段】  直流電源１と、この直流電源１の出力を平滑コンデンサ３１を介し、交流電動機４駆動用の交流出力に変換するインバータ３２と、このインバータ３２を制御する制御手段３３とから構成され、前記制御手段３３は、ベクトル制御またはセンサレスベクトル制御により前記交流電動機の電流を励磁電流と励磁電流に直交するトルク電流に分離して制御するようにし、前記交流電動機４の力行または回生の運転モードに応じて前記励磁電流の指令値を選択的に切換える切換手段を有するように構成する。【選択図】  図１
2005130638.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、
この直流電源の出力を平滑コンデンサを介し、交流電動機駆動用の交流出力に変換するインバータと、
このインバータを制御する制御手段と
から構成され、
前記制御手段は、
ベクトル制御またはセンサレスベクトル制御により前記交流電動機の電流を励磁電流と励磁電流に直交するトルク電流に分離して制御するようにし、
前記交流電動機の力行または回生の運転モードに応じて前記励磁電流の指令値を選択的に切換える切換手段を有することを特徴とする電気自動車用電力変換装置。
【請求項２】
前記交流電動機の力行または回生の運転モードの判定は、前記インバータ回路の直流電流の極性によることを特徴とする請求項１に記載の電気自動車用電力変換装置。
【請求項３】
前記励磁電流の指令値は、前記トルク電流の指令値に略比例して変化させ、回生モードにおける前記励磁電流の指令値を力行モードにおける前記励磁電流の指令値より大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の電気自動車用電力変換装置。
【請求項４】
力行モードにおける前記励磁電流の指令値は、前記交流電動機の回転数が第1の所定値以上になったとき、回転数に略反比例して低減させ、
回生モードにおける前記励磁電流の指令値は、前記交流電動機の回転数が前記第1の所定値より大きい第２の所定値以上になったとき、回転数に略反比例して低減させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電気自動車用電力変換装置。
【請求項５】
直流電源と、
この直流電源の出力を平滑コンデンサを介し、交流電動機駆動用の交流出力に変換するインバータと、
このインバータを制御する制御手段と
前記インバータの直流電圧を検出する電圧検出器と
から構成され、
前記制御手段は、
ベクトル制御またはセンサレスベクトル制御により前記交流電動機の電流を励磁電流と励磁電流に直交するトルク電流に分離して制御するようにし、
前記電圧検出器により検出した直流電圧に応じて、前記励磁電流の指令値を変化させるようにしたことを特徴とする電気自動車用電力変換装置。
【請求項６】
前記励磁電流の指令値は、
前記直流電圧に略比例して変化させ、且つ上限及び下限のリミットを設けたことを特徴とする請求項５に記載の電気自動車用電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、システム効率を改善した電気自動車用電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気自動車駆動システムは、バッテリーなどによる直流電源から供給される直流入力をインバータにより交流に変換し、この変換された交流出力で交流電動機を駆動する構成となっている。
【０００３】
インバータの制御は、トルク電流と励磁電流を分離して制御する所謂ベクトル制御が用いられるのが通常であり、更に速度センサを用いないセンサレスベクトル制御も使用されている。また、通常インバータにはパルス幅変調（ＰＷＭ）制御が採用される。
【０００４】
電気自動車駆動は、定格速度まではトルク一定制御を行い、励磁電流を一定に制御するが、定格速度以上になると励磁電流を速度に略反比例させて減少させる所謂弱め界磁制御を行う。
【０００５】
また、減速時あるいは下り坂では回生運転を行い、余剰エネルギーをバッテリーに充電する。
【０００６】
電気自動車駆動システムにおいては、力行モードと比較したときに、回生モードはバッテリーを充電しているので、直流電圧が高くなる。従って、図５（ａ）に示すように回生モードでは力行モードよりトルク電流を大きくできる（図５（ａ）のトルク電流は絶対値で表示）。しかしながら、力行時に効率の良い励磁電流指令ｉｄ＊と同一値の励磁電流で回生最大トルクを発生させると、図５（ａ）に示すように効率の良い励磁電流とトルク電流の位相関係（電流位相θＴ）がくずれる。即ち、トルク電流だけが大きくなってしまい、電動機の効率が低下し、従って電気自動車としては重要な指標であるシステム効率が低下する。
【０００７】
また、従来の電気自動車用電力変換装置では、図５（ｂ）に示すように力行、回生モードに関係なく励磁電流指令ｉｄ＊を同一に設定しているので、前述の弱め界磁制御に移行する回転数は力行モードと回生モードで同一の回転数ｎとなり、やはりシステム効率が低下する。
【０００８】
これらの対策として、トルク指令に応じて損失を最小にするような励磁電流を所定の伝達関数に基づいて演算によって求め、高効率化を計る提案が行われている（例えば特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平７−６７３９７号公報（第３−８頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献１によるシステムの効率向上手法は、制御系が複雑となる上、モータ定数などを予め設定する必要があり、手間がかかるという問題点があった。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑み為されたもので、簡単な制御回路構成で、運転状態により励磁電流指令を調整し、システム効率を改善した電気自動車用電力変換装置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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の電気自動車用電力変換装置は、直流電源と、この直流電源の出力を平滑コンデンサを介し、交流電動機駆動用の交流出力に変換するインバータと、このインバータを制御する制御手段とから構成され、前記制御手段は、ベクトル制御またはセンサレスベクトル制御により前記交流電動機の電流を励磁電流と励磁電流に直交するトルク電流に分離して制御するようにし、前記交流電動機の力行または回生の運転モードに応じて前記励磁電流の指令値を選択的に切換える切換手段を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、比較的簡単な制御回路を加えるだけで、回生モードと力行モードの運転モードに応じて、励磁電流の調整が可能となり、システム効率を改善した電気自動車用電力変換装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１４】
本発明による電気自動車用電力変換装置の実施例１を図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明の電気自動車用電力変換装置の回路構成図である。
【００１５】
直流電源１は、開閉器２を介し交流電動機４を駆動するためのインバータ３に直流電力を供給する。インバータ３は、直流を平滑するためのコンデンサ３１、主回路素子３２ｕ、３２ｖ、３２ｗ、３２ｘ、３２ｙ及び３２ｚをブリッジ接続して構成したインバータ回路３２、及びこのインバータ回路３２を制御する制御回路３３を備えている。インバータ３には直流電流を検出する電流検出器３４が取り付けられている。また交流電動機４には、回転数を検出するための回転数検出器５が取り付けられている。
【００１６】
制御回路３３の構成は以下の通りである。与えられたトルク電流（ｑ軸電流）指令ｉｑ＊及び後述する手法により求められる励磁電流（ｄ軸電流）指令ｉｄ＊と、フィードバック演算されたトルク電流（ｑ軸電流）ｉｑ及び励磁電流（ｄ軸電流）ｉｄとを夫々演算増幅器３３１及び演算増幅器３３２で比較演算し、その夫々の出力をｑ軸電圧指令ｖｑ＊及びｄ軸電圧指令ｖｄ＊とする。このq軸電圧指令ｖｑ＊及びｄ軸電圧指令ｖｄ＊を座標変換器３３３で３相電圧基準に変換し、これをＰＷＭ制御器３３４でパルスに変換することにより、インバータ回路３２のゲート信号を得ている。
【００１７】
前述したｑ軸電流ｉｑとｄ軸電流ｉｄは、インバータ３の任意の２相の出力電流、例えばＵ相電流ｉｕとＷ相電流ｉｗを検出し、これを座標変換器３３５で、３相から２相へ変換して求めている。ここで、座標変換器３３５の基準位相は、回転数検出器５で検出された回転数ｎを積分した位相角θｒと、トルク電流指令ｉｑ＊と励磁電流指令ｉｄ＊から演算で求めたすべり周波数ｆｓを積分して得られる位相角θｓを加えた位相角θを用いる。前述した座標変換器３３３の基準位相も同様にこの位相角θを用いる。
【００１８】
励磁電流（ｄ軸電流）指令ｉｄ＊は以下の手法により求められる。即ち、前述した電流検出器３４による検出電流の極性が正であれば、力行時励磁電流設定器３３６の出力を選択し、逆にこの極性が負であれば、回生時励磁電流設定器３３７の出力を選択する。力行時励磁電流設定器３３６及び回生時励磁電流設定器３３７は、図２に示すように、夫々トルク電流指令ｉｑ＊及び回転数ｎの関数として設定される。
【００１９】
尚、力行または回生の運転モードの判別は、必ずしも本実施例の電流検出器３４で得られた直流電流の極性で判定する必要はなく、例えば、トルク電流指令ｉｑ＊の極性判定によっても良い。
【００２０】
図２（ａ）はトルク電流指令ｉｑ＊の絶対値に応じて励磁電流指令ｉｄ＊を調整する原理を示している。力行時は定格励磁電流ｉｄ＊１が最大励磁電流となるが、回生時は前述したようにトルク電流指令ｉｑ＊を力行時より大きく設定することが可能となり、この時の最大励磁電流はｉｄ＊２となる。尚、前述したように電流位相θＴを一定に保つことが電動機の最大効率を保持することになるため、トルク電流指令ｉｑ＊の変化に応じて、励磁電流ｉｄ＊を変化させる。
【００２１】
図２（ｂ）はトルク一定運転からパワー一定運転への切換の回転数を示したものである。図２（ｂ）に示したように、力行運転では、回転数ｎ１以上で弱め界磁制御を行うが、回生運転では回転数ｎ１よりも大きい回転数ｎ２で弱め界磁制御を行うようにし、システム効率を改善する。
【００２２】
以上説明したように、本発明の実施例１によれば、力行運転、回生運転の運転モードに応じて電動機効率が最大となる励磁電流を自動的に選択することができるので、簡単な制御回路構成で、システム効率を改善した電気自動車用電力変換装置を提供することができる。
【００２３】
尚、以上の説明では、力行時の最大トルク発生時の効率が最も良くなるように励磁電流の基準を設定すると説明したが、逆に、回生時の効率の最大条件から励磁電流の基準を設定しても良い。
【実施例２】
【００２４】
図３は本発明の実施例２に係る電気自動車用電力変換装置の回路構成図である。この実施例２の各部について図１の実施例１に係る電気自動車用電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、図１の電流検出器６に代えてインバータ３の直流電圧検出器３５を設けた点と、図１の力行時励磁電流設定器３３６及び回生時励磁電流設定器３３７に代え、時励磁電流設定器３３８及び励磁電流調整器３３９を設けた点である。
【００２５】
時励磁電流設定器３３８の動作は、図１の力行時励磁電流設定器３３６または回生時励磁電流設定器３３７の動作と基本的に同一である。以下励磁電流調整器３３８の動作について図４を参照して説明する。
【００２６】
図４（ａ）に示すように、直流電圧検出器３５の検出電圧に応じて励磁電流指令ｉｄ＊を変化させ、その重みを励磁電流指令値ｉｄ＊に乗算するようにする。通常時は、直流電圧の高い状態は回生運転、直流電圧が低い状態は、力行運転となる。電圧範囲はバッテリの充電状態や経年劣化によって変化する。図４（ａ）のａ点で効率の良い励磁電流とトルク電流の関係を電流位相θＴに設定した場合、図４（ｂ）に示すように、直流電圧が高い場合は、トルク電流の増加に伴い励磁電流を増加し、最大効率ａ点の電流位相θＴを保つように制御する。直流電圧が低い場合は、トルク電流の減少に伴って励磁電流を減少し、最大効率ａ点の電流の位相θＴを保つように制御し、この結果、効率の良い運転が可能となる。もし励磁電流を調整しない場合は、図４（ｃ）に示すように、直流電圧が高い場合は電流位相θＴ１＞θＴ、また直流電圧が低い場合はθＴ２＜θＴとなるため、効率が低下する。
【００２７】
以上説明したように。本発明の実施例２によっても、簡単な制御回路構成で、システム
効率を改善した電気自動車用電力変換装置を提供することができる。
【００２８】
尚、本発明の各実施例の説明では、交流電動機４はすべり周波数ｆｓを持つ誘導電動機を例に説明したが、すべり周波数ｆｓがゼロの同期電動機の場合であっても本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施例１に係る電気自動車用電力変換装置の回路構成図。
【図２】本発明の実施例１の励磁電流とトルク指令の説明図。
【図３】本発明の実施例２に係る電気自動車用電力変換装置の回路構成図。
【図４】本発明の実施例２の励磁電流とトルク指令の説明図。
【図５】従来の励磁電流とトルク指令の説明図。
【符号の説明】
【００３０】
１  直流電源
２  開閉器
３  インバータ
４  交流電動機
５  電流検出器
６  回転数検出器
７  電圧検出器
３１  直流コンデンサ
３２  インバータ回路
３３  制御回路
３３１  演算増幅器
３３２  演算増幅器
３３３  座標変換器（２相／３相）
３３４  ＰＷＭ制御器
３３５  座標変換器（３相／２相）
３３６  力行励磁電流設定器
３３７  回生励磁電流設定器
３３８  励磁電流設定器
３３９  励磁電流調節器
【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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