(57)【要約】【課題】ロータの停止位置を最適位置になるように制御することで、ロータが回転して車両が動くことを防止すると共に、異音発生、発熱による温度上昇及び充電効率の低下等を防止することのできる電気自動車用充電装置及び制御方法を提供する。【解決手段】電気自動車用充電装置１はニッケル水素電池等の二次電池１５と、インバータ１４と、モータ１０と、モータ１０の回転角度を検出するレゾルバ１３と、充電用のリレー２２，２３と、商用電源プラグ２０と、その接続部２１と、商用電源の交流信号からゼロクロス信号を発生させるゼロクロス信号発生器１８と、インバータ制御回路１６及び車両制御ＥＣＵ１７と、を有している。さらに、インバータ１４には商用電源と接続するための商用電源プラグ２０、接続部２１、充電用リレー２２，２３の順で、ダイオード２４，２５の接続点及びモータの中性点に接続される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池と、ステータとロータとを含むモータと、二次電池の電力によりモータを駆動するインバータと、外部電源をモータの中性点に接続する接続部と、を有し、モータのコイルとインバータを利用して外部電源から二次電池を充電する電気自動車用充電装置において、
充電あるなしに関わらず充電にそなえて、モータに発生するトルク、磁石損失のそれぞれが最小となる目標ロータ角度でモータを停止させるモータ制御手段を有することを特徴とする電気自動車用充電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電気自動車用充電装置において、
モータ制御手段は、車両を停止する時に、モータを目標ロータ角度で停止させることを特徴とする電気自動車用充電装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電気自動車用充電装置において、
モータ制御手段は、車両が停止した後に、充電指示があってから実際に充電制御が行われる間にモータを目標ロータ角度に回転し停止させることを特徴とする電気自動車用充電装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の電気自動車用充電装置において、
目標ロータ角度は、モータの特性によって定まり、モータに発生するトルク、磁石損失のそれぞれが最小となり、かつ、モータのインダクタンスが最大となるロータ角度であることを特徴とする電気自動車用充電装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の電気自動車用充電装置において、
モータ制御手段は、インバータを制御することにより、ロータを所望の目標ロータ角度に位置決めすることを特徴とする電気自動車用充電装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の電気自動車用充電装置において、
モータが集中巻きの場合には、目標ロータ角度は磁極中心とスロット中心が一致する角度であることを特徴とする電気自動車用充電装置。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか１項に記載の電気自動車用充電装置において、
モータが分布巻きの場合には、目標ロータ角度は磁石中心と同相スロット間ティース中心が一致する角度であることを特徴とする電気自動車用充電装置。
【請求項８】
二次電池と、ステータとロータとを含むモータと、二次電池の電力によりモータを駆動するインバータと、外部電源をモータの中性点に接続する接続部と、を有し、モータのコイルとインバータを利用して外部電源から二次電池を充電する電気自動車用充電装置の制御方法において、
充電あるなしに関わらず充電にそなえて、モータに発生するトルク、磁石損失のそれぞれが最小となる目標ロータ角度でモータを停止させるモータ制御工程を含むことを特徴とする電気自動車用充電装置の制御方法。
【請求項９】
請求項８に記載の電気自動車用充電装置の制御方法において、
モータ制御工程は、車両を停止する時に、モータを目標ロータ角度で停止させることを特徴とする電気自動車用充電装置の制御方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の電気自動車用充電装置の制御方法において、
モータ制御工程は、車両が停止した後、充電指示があってから実際に充電制御が行われる間にモータを目標ロータ角度に回転し停止させることを特徴とする電気自動車用充電装置の制御方法。
【請求項１１】
請求項８から１０のいずれか１項に記載の電気自動車用充電装置の制御方法において、
目標ロータ角度は、モータの特性によって定まり、モータに発生するトルク、磁石損失のそれぞれが最小となり、かつ、モータのインダクタンスが最大となるロータ角度であることを特徴とする電気自動車用充電装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
電力を充放電可能な二次電池と、二次電池の電力によりモータを駆動するインバータと、外部電源をモータの中性点に接続する接続部と、を有し、モータのコイルとインバータを利用して外部電源から二次電池を充電する電気自動車用充電装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンを有するハイブリッド自動車、燃料電池自動車等の電気自動車は二次電池であるニッケル水素電池や電気二重層コンデンサ等に蓄えられた電力によってモータを駆動して走行する。特に、発電機能を持たない電気自動車は、二次電池の充電量が無くなると走行できないため、二次電池の充電を行う充電装置が必要となる。ここで充電装置は電気自動車の走行時には必要ないため、ある地点に固定設置される場合や、あるいは車載する場合がある。
【０００３】
充電装置が固定設置されている場合は、電気自動車をその場所に移動させ、充電を行う必要があるため他の場所では充電が行えないという欠点がある。一方、充電装置を車載する場合は車両重量が増加するという問題があった。この問題を解決するために、モータのコイルをリアクトルとして用いて車両重量の増加を抑え、かつ、モータの駆動を行うインバータの回路素子を制御することで家庭用の商用電源から充電を行う装置が従来より提案されている。
【０００４】
しかし、ロータに永久磁石を配置した永久磁石モータを使用した場合、モータの任意のコイルに電流を流すと、永久磁石の磁極位置によってはロータを回転させるトルクが発生する場合がある。このトルクによりロータが回転すると、充電時に車両が振動したり異音が生じたりすることがあるという問題があった。
【０００５】
そこで、特許文献１に示すような電気自動車の充電装置は、２個のモータと、それぞれのモータのコイルに流れる電流を制御する２個のインバータと、２個のモータのおのおのの中性点に商用電源を接続する接続回路と、ロータの磁極位置を検出する磁極位置センサと、検出された磁極位置に基づきモータの３相のコイル又は、３相のコイルのうちロータを回転させるトルクが最小となる磁界を発生させる１相または２相のコイルを選定するコイル選定手段と、選定されたコイルに、インバータの回路素子を制御して、商用電源から電流を流し、これらのコイルを昇圧用リアクトルとして二次電池に対して充電を行う制御回路を有している。
【０００６】
特許文献１に開示されている技術を用いることにより、モータの３相を選択してそれぞれ等しい電流を流す場合、発生する磁界はお互いに相殺してゼロとなり、ロータの回転を防止できる。また、モータの３相のコイルのうち、ロータを回転させるトルクが最小となる１相または２相のコイルを選定し、コイルに電流を流す場合、発生するトルクが小さいので車両の摩擦抵抗などによりロータの回転を防止することができる。
【０００７】
【特許文献１】特開平８−１２６１２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１の技術を用いる場合において、車両停車時のロータ位置はさまざまな角度となり、ロータの停止位置により充電による微小なトルク変動で発生するトルク振動、磁石の発熱、インダクタンスのばらつきによる充電効率の変動が発生し、異音、発熱、充電効率の低下等が発生していた。
【０００９】
そこで、本発明は２次電池充電時において、ロータの停止位置を最適位置になるように制御することで、ロータが回転して車両が動くことを防止すると共に、異音発生、発熱による温度上昇及び充電効率の低下等を防止することのできる電気自動車用充電装置及び制御方法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】
【００１０】
以上のような目的を達成するために、本発明に係る電気自動車用充電装置は、二次電池と、ステータとロータとを含むモータと、二次電池の電力によりモータを駆動するインバータと、外部電源をモータの中性点に接続する接続部と、を有し、モータのコイルとインバータを利用して外部電源から二次電池を充電する電気自動車用充電装置において、充電あるなしに関わらず充電にそなえて、モータに発生するトルク、磁石損失のそれぞれが最小となる目標ロータ角度でモータを停止させるモータ制御手段を有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る電気自動車用充電装置において、モータ制御手段は、車両を停止する時に、モータを目標ロータ角度で停止させることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る電気自動車用充電装置において、モータ制御手段は、車両が停止した後に、充電指示があってから実際に充電制御が行われる間にモータを目標ロータ角度に回転し停止させることを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明に係る電気自動車用充電装置において、目標ロータ角度は、モータの特性によって定まり、モータに発生するトルク、磁石損失のそれぞれが最小となり、かつ、モータのインダクタンスが最大となるロータ角度であることを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明に係る電気自動車用充電装置において、モータ制御手段は、インバータを制御することにより、ロータを所望の目標ロータ角度に位置決めすることを特徴とする。
【００１５】
さらに、本発明に係る電気自動車用充電装置において、モータが集中巻きの場合には、目標ロータ角度は磁極中心とスロット中心が一致する角度であることを特徴とする。
【００１６】
さらに、本発明に係る電気自動車用充電装置において、モータが分布巻きの場合には、目標ロータ角度は磁石中心と同相スロット間ティース中心が一致する角度であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る電気自動車用充電装置の制御方法は、二次電池と、ステータとロータとを含むモータと、二次電池の電力によりモータを駆動するインバータと、外部電源をモータの中性点に接続する接続部と、を有し、モータのコイルとインバータを利用して外部電源から二次電池を充電する電気自動車用充電装置の制御方法において、充電あるなしに関わらず充電にそなえて、モータに発生するトルク、磁石損失のそれぞれが最小となる目標ロータ角度でモータを停止させるモータ制御工程を含むことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係る電気自動車用充電装置の制御方法において、モータ制御工程は、車両を停止する時に、モータを目標ロータ角度で停止させることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る電気自動車用充電装置の制御方法において、モータ制御工程は、車両が停止した後、充電指示があってから実際に充電制御が行われる間にモータを目標ロータ角度に回転し停止させることを特徴とする。
【００２０】
さらに、本発明に係る電気自動車用充電装置の制御方法において、目標ロータ角度は、モータの特性によって定まり、モータに発生するトルク、磁石損失のそれぞれが最小となり、かつ、モータのインダクタンスが最大となるロータ角度であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明を用いることにより、２次電池充電時において、ロータの停止位置を最適位置になるように制御し、ロータが回転して車両が動くことを防止すると共に、異音発生、発熱による温度上昇及び充電効率の低下等を防止することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００２３】
図１には、電気自動車用充電装置１の構成が示されている。電気自動車用充電装置１はニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池１５と、主電源用リレー２６，２８と、インバータ１４と、モータ１０と、モータ１０の回転角度を検出するレゾルバ１３と、充電用のリレー２２，２３と、商用電源プラグ２０と、その接続部２１と、商用電源の交流信号からゼロクロス信号を発生させるゼロクロス信号発生器１８と、インバータ制御回路１６及び車両制御ＥＣＵ１７と、を有している。
【００２４】
二次電池１５は、高電圧の直流電力を供給することができ、二次電池とインバータ１４との間には主電源用リレー２６，２７が設けられている。また、主電源用リレー２６には突入制限抵抗５２及び突入制限リレー２７が並列接続されている。
【００２５】
インバータ１４は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相のアームを有し、複数のスイッチング用のトランジスタ３１〜３６、ダイオード４１〜４６及びコンデンサ５１を含んでいる。モータを駆動する場合において、インバータ１４は、インバータ制御回路１６の制御に基づいて各トランジスタをオン・オフし、２次電池の直流出力から３相の交流出力に変換して出力し、３相交流をモータ１０に供給することができる。
【００２６】
さらに、インバータ１４には、本発明の特徴的な構成である充電部が設けられている。インバータ１４には商用電源と接続するための商用電源プラグ２０、接続部２１、充電用リレーの順で、ダイオード２４，２５の接続点及びＵ相からＷ相の中性点に接続されている。
【００２７】
次に、電気自動車の起動から充電処理までの動作概要を図１を用いて示す。なお、充電時には、商用電源プラグ２０を例えば交流１００Ｖのコンセントに接続する。インバータ制御回路１６は、車両制御ＥＣＵ１７からの指示により高電位側の主電源用リレー２６を「オン」にする前に、低電位側の主電源用リレー２８を「オン」、突入制限リレー２７を「オン」にする。これにより、コンデンサ５１に電流を徐々に供給することで突入電流を低減させ、所定時間経過後に高電位側の主電源用リレー２６を「オン」させると共に突入制限リレー２７を「オフ」し、二次電池とインバータが接続される。
【００２８】
インバータ制御回路１６は、商用電源の電力供給状態及び二次電池への充電状態を検出するために、ゼロクロス信号発生器１８及び電流センサ１９からの信号を取得して正常であるかを確認する。次に、インバータ制御回路１６は充電を開始するために、充電用リレー２２，２３を「オン」にする。
【００２９】
ここで、ゼロクロス信号発生器１８は、商用電源プラグ２０からの交流商用電源の電圧が０ボルトとなるたびにハイレベルとローレベルが入れ替わる信号であり、交流商用電源の電圧位相の基準となる。充電時において、インバータ制御回路１６はこのゼロクロス信号を基準にしてインバータの各トランジスタを制御し、電圧と電流の位相がそろい、力積が「１」になるようにする。また、電流センサ１９は二次電池１５に流れる電流（ＩＢ）を検出し、二次電池の状態をインバータ制御回路１６へ出力する。
【００３０】
図６は、電気自動車用充電装置のインバータ制御信号を示すタイムチャートであり、横軸には時間と、縦軸には、上から商用電源、トランジスタ３１、３２によるＰＷＭ１信号及びＰＷＭ２信号、ゼロクロス信号とが示されている。以下、充電時におけるインバータ１４の動作を図１のＷ相アームに接続されているトランジスタ３１，３２と、ダイオード４１，４２と、整流用のダイオード２４，２５と、を例にして説明する。
【００３１】
図１のインバータ制御回路１６は、ゼロクロス信号を参照して商用電源に接続されているモータ１０の中性点の電圧が正であるか、負であるか判定する。図６に示すように中性点の電圧が「正」（ゼロクロス信号：ハイレベル）となっている時は、トランジスタ３２が「オン」・「オフ」を繰り返すように制御され（ＰＷＭ１信号）、トランジスタ３１は「オフ」となる。このようにトランジスタ３２が「オン」から「オフ」となると、モータ１０のＷ相のコイルにより昇圧され、ダイオード４１と２５に電流が流れ、コンデンサ５１に電荷が蓄積すると共に、二次電池１５に充電が行われる。
【００３２】
次に、中性点の電圧が「負」となっている時は、トランジスタ３１が「オン」・「オフ」を繰り返すように制御され（ＰＷＭ２信号）、トランジスタ３２は「オフ」となる。トランジスタ３１が「オン」から「オフ」となると、モータ１０のＷ相コイルにより昇圧され、ダイオード４２と２４に電流が流れ、コンデンサ５１に電荷が蓄積すると共に、二次電池１５に充電が行われる。なお、他のＶ相、Ｕ相のトランジスタ３３〜３６についても同様な制御により充電が行われる。インバータ制御回路１６は、電流センサ１９の検出値ＩＢと制御目標の電流値Ｉrefとを比較し、充電される電流である検出値ＩＢに基づいて充電電流も制御する。
【００３３】
図２は、ステータ１１とロータ１２とを有する集中巻きモータ１０の一部分を切り出したものであり、図４には集中巻きモータ１０のトルク振動とインダクタンスと磁石損失とのモータ特性を示す。図２のステータ１１は左から時計回りにＷ相、Ｖ相、Ｖ相、Ｕ相、Ｕ相、Ｗ相の繰り返しとなり、ロータ１２は、Ｎ，Ｓ極の永久磁石が凸状に配置されている。
【００３４】
図４の横軸のロータ位置角度は、図２のＶ相とＵ相のスロット中心からロータ１２の磁極中心までの角度を示し、図４の充電時発生ＭＡＸトルクは約７．５度，約１５度，約２２．５度，約３０度近傍で最小となり、インダクタンスはほぼ一定値を保ち、磁石損失は、約１５度，約３０度近傍で最小となる。このことから、図２に示した集中巻き型モータでは、図４に示したように約１５度がトルク振動及び磁気損失が最小となる角度が目標ロータ角度である。この目標ロータ角度では、ロータを回転させようとするトルクが小さく、モータの発熱も抑えられる。
【００３５】
図３は分布巻きモータの一部分を切り出したものであり、同様に図５には分布巻きモータ１０のトルク振動とインダクタンスと磁石損失とのモータ特性を示す。図３のステータ１１は左から時計回りにＵ相、Ｗ相、Ｗ相、Ｖ相、Ｖ相、Ｕ相の繰り返しとなり、ロータ１２はＮ，Ｓ極の永久磁石が凸状に配置されている。
【００３６】
図５の横軸のロータ位置角度は、図３のＷ相の分布巻き同相間中心からロータ１２の磁極中心までの角度を示し、図５の充電時発生ＭＡＸトルクは約７．５度，約１５度で最小となり、インダクタンスは約７．５度で最大となり、磁石損失は、約７．５度近傍で最小となる。このことから、図３に示した分布巻き型モータでは、図５に示したように約７．５度がトルク振動及び磁気損失が最小となり、インダクタンスが最大となる目標ロータ角度である。この目標ロータ角度では、ロータを回転させようとするトルク及びモータの発熱が小さくなるだけでなく、充電効率の低下を防止することができる。
【００３７】
図７は、二次電池の充電量が減少し、充電が必要なレベルになった場合において、車両停止時にロータ角度を調整する停止前ロータ位置調整方式の処理の流れが示されている。停止指示が車両制御ＥＣＵから出されると、ＣＰＵを有するインバータ制御回路は、ステップＳ１０において、二次電池の充電量が充電レベルに減少したかどうかを判定する。もし、充電が必要であると判断されるとステップＳ１２に移る。
【００３８】
ステップＳ１２においてレゾルバの角度を検出し、ステップＳ１４において所定の停止角度に近い目標ロータ角度を予測し、ステップＳ１６においてインバータを制御し、ステップＳ１８においてロータ角度の変化により車両が停止したかを判定する。もし、車両が停止していないと判断した場合には、ステップＳ１２に戻り、再度ロータ角度の停止制御を実行する。再度、ステップＳ１８において、ロータ角度の変化がゼロとなり、目標ロータ角度で車両停止と判断すると、処理を終えて、図示しないメインルーチンへ戻る。この処理により、車両停止時にはロータ角度を最適な位置とすることができ、充電の意志である充電プラグ挿入により充電制御が開始されることになる。
【００３９】
図８は、車両が停止した状態で充電が開始される場合、充電前ロータ位置調整方式の処理の流れが示されている。上述した停止前ロータ位置調整方式では、車両停止直後はロータ角度を最適な状態とすることが可能であるが、例えば、タイマーにより深夜電力を利用する場合には、車両停止から実際の充電開始までの間には時間がある。このため、図８に示した充電前ロータ位置調整方式では、この間にロータ角度を調整することも可能である。なお、充電の意志である充電プラグ挿入により充電制御が行われる前に調整する方法と併用してもよい。
【００４０】
図８に示す位置制御では、車両停止時に車両制御ＥＣＵから充電開始が指示されると、ＣＰＵを有するインバータ制御回路は、ステップＳ２０において充電と判定してステップＳ２２に移る。ステップＳ２２においてレゾルバの角度を検出し、目標ロータ角度とのずれを計算して移動角度を算出し、ステップＳ２６においてインバータを制御してロータ角度を調整する。ステップＳ２８においてロータ角度の変化がゼロとならず、目標ロータ角度にならない場合は、再度ステップＳ２２以下を実行し、ロータ角度が目標ロータ角度となり、ロータ角度の変化がゼロになった場合には、処理を終えて図示しないメインルーチンへ戻る。
【００４１】
なお、本実施形態の電気自動車用充電装置において、ロータ角度の調整に必要な移動角度では車両の移動量は１ｍｍ以下である為、車両停止時にロータ角度の設定を行うことができる構造となっている。また、図７では所定条件が満たされた場合にロータ角度の設定を行っているが、これに限定するものではなく、例えば、すべての車両停止時にロータ角度の設定を行ってもよいし、その他の条件により実行してもよい。
【００４２】
以上、上述したように、本実施形態を用いることにより、２次電池充電時において、ロータの停止位置を最適位置になるように制御し、ロータが回転して車両が動くことを防止すると共に、異音発生、発熱による温度上昇及び充電効率の低下等を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態に係る電気自動車用充電装置の構成を示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る集中巻きモータの構成を示す構成図である。
【図３】本発明の実施形態に係る分布巻きモータの構成を示す構成図である。
【図４】本発明の実施形態に係る集中巻きモータの特性を示す特性図である。
【図５】本発明の実施形態に係る分布巻きモータの特性を示す特性図である。
【図６】本発明の実施形態に係る電気自動車用充電装置のインバータ制御信号を示すタイムチャート図である。
【図７】本発明の実施形態に係る停止前ロータ位置調整方式の処理の流れを示すフローチャート図である。
【図８】本発明の実施形態に係る充電前ロータ位置調整方式の処理の流れを示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  電気自動車用充電装置、１０  モータ、１１  ステータ、１２  ロータ、１３  レゾルバ、１４  インバータ、１５  二次電池、１６  インバータ制御回路、１８  ゼロクロス信号発生器、１９  電流センサ、２０  商用電源プラグ、２１  接続部、２２  充電用リレー、２４，２５，４１，４２，４３，４４，４５，４６  ダイオード、２６  主電源用リレー、２７  突入制限リレー、２８  主電源用リレー、３１，３２，３３，３４，３５，３６ トランジスタ、５１  コンデンサ、５２  突入制限抵抗。
【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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【図８】
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