JP2006025518A - Power converter and dual power supply vehicle mounting it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置、及びこれを搭載した2電源系車両に関する。 The present invention relates to a power conversion device and a dual power supply vehicle equipped with the same.
従来技術として、燃料電池を主電源として高効率に高応答にモータを駆動するための構成が、特開2002-118981号公報(特許文献1を参照されたい。)で開示されている。この例は、図1に示すように蓄電器がDC-DCコンバータを介して燃料電池と並列に接続された2電源を備える車両構成になっており、DC-DCコンバータの出力電圧を制御することで電源としての出力効率を改善することを狙ったものである。
また、モータ駆動用の蓄電器と補機駆動用蓄電器の2電源を備えた電動車両においても、両蓄電器間にDC−DCコンバータを介して接続することにより両蓄電器間の電力移動を可能としている。
Further, even in an electric vehicle having two power sources, ie, a motor driving capacitor and an auxiliary driving capacitor, electric power can be transferred between both capacitors by connecting the two capacitors via a DC-DC converter.
しかしながら、この従来例は、DC-DCコンバータを使って、2つの蓄電装置を並列に接続する構成となっていたため、DC-DCコンバータを使用しているため、システムのサイズが大きくなるとともに、コストが高く、例えば、両蓄電池の両方の電力を使用してモータを駆動する場合、またはモータの起電力を蓄電する場合に損失が大きいなどの問題が生じる。
そこで、本発明は複数電源を用いて電圧変換をする変換装置に関するものであるが、その複数電源の入出力電力の切替や配分などを自由にコントロールすることを可能とし、電圧源の供給電力を制御することを可能とすることを第1の目的にする。また本発明では、インバータ損失とモータ損失の両方をより低減することが可能な電力変換装置(器)を提供することを第2の目的にする。さらに、本発明は、このような電力変換装置を搭載した2電源系車両を提供することを第3の目的とする。
However, since this conventional example has a configuration in which two power storage devices are connected in parallel using a DC-DC converter, the use of the DC-DC converter increases the size of the system and reduces the cost. For example, when the motor is driven using both electric powers of both storage batteries, or when the electromotive force of the motor is stored, a problem such as a large loss occurs.
Therefore, the present invention relates to a conversion device that performs voltage conversion using a plurality of power supplies, but can freely control switching and distribution of input / output power of the plurality of power supplies, and can supply power from a voltage source. It is a first object to enable control. Moreover, this invention makes it the 2nd objective to provide the power converter device (unit) which can reduce both an inverter loss and a motor loss more. Furthermore, a third object of the present invention is to provide a dual power supply vehicle equipped with such a power conversion device.
上述した諸課題を解決すべく、第1の発明による電力変換装置は、
直流電圧源の出力電圧から交流電圧波形をパルス状電圧で生成する電力変換装置であって、
前記直流電圧源は、共通電位を含めて3つ以上の電位を出力する電圧源出力部(端子)を備え、
前記電力変換装置は、前記3つ以上の電位の1つ(端子)に接続し、電圧を前記電力変換装置の出力部に印加するスイッチング手段を各々備え、
前記各スイッチング手段は、オンオフのパルス幅を制御することにより前記パルス状電圧を生成する、(即ち、各スイッチング手段は、1つの電位を選択して接続し、その接続を切り替えることによりパルス状電圧を生成する)、
ことを特徴とする。
In order to solve the above-described problems, the power conversion device according to the first invention provides:
A power conversion device that generates an AC voltage waveform from a DC voltage source output voltage as a pulse voltage,
The DC voltage source includes a voltage source output unit (terminal) that outputs three or more potentials including a common potential,
The power conversion device includes switching means for connecting to one (terminal) of the three or more potentials and applying a voltage to the output unit of the power conversion device,
Each of the switching means generates the pulsed voltage by controlling the on / off pulse width (that is, each switching means selects and connects one potential, and switches the connection to change the pulsed voltage. ),
It is characterized by that.
また、第2の発明による電力変換装置は、
前記電圧源出力部が、出力部間の電位を大きさ順に並べた場合、隣接する出力部の電位との電位差が異なる大きさに設定されている、ことを特徴とする。
The power converter according to the second invention is
When the voltage source output unit arranges the potentials between the output units in order of magnitude, the potential difference from the potential of the adjacent output unit is set to a different magnitude.
さらにまた、第3の発明による電力変換装置は、
前記交流電圧波形は、多相交流電圧波形であって、多相交流モータを駆動するための波形である、ことを特徴とする。
Furthermore, the power conversion device according to the third invention provides
The AC voltage waveform is a multiphase AC voltage waveform, and is a waveform for driving a multiphase AC motor.
さらにまた、第4の発明による電力変換装置は、
さらに、前記スイッチング手段は、前記電圧源出力部の各直流電圧源の入出力電力量を制御する、ことを特徴とする。
Furthermore, the power conversion device according to the fourth invention provides:
Furthermore, the switching means controls the input / output electric energy of each DC voltage source of the voltage source output unit.
さらにまた、第5の発明による電力変換装置は、
前記直流電圧源の少なくとも1つは、キャパシタ(コンデンサ)である、ことを特徴とする。
Furthermore, the power conversion device according to the fifth invention provides
At least one of the DC voltage sources is a capacitor.
さらにまた、第6の発明による電力変換装置は、
前記モータと前記記電力変換装置とからなる組を複数組備え、
これら電力変換装置に電力を供給する前記直流電圧源は、前記複数の電力変換装置で共用されている、
ことを特徴とする。
Furthermore, the power conversion device according to the sixth invention provides:
A plurality of sets including the motor and the power converter are provided,
The DC voltage source that supplies power to these power converters is shared by the plurality of power converters,
It is characterized by that.
さらにまた、第7の発明による2電源系車両は、
上述した電力変換装置のいずれかを搭載した2電源系車両であって、
前記直流電圧源は、電圧の異なる2つの直流電圧源手段を備え、
前記直流電圧源手段の電圧の高い方は、モータ駆動用の高負荷用バッテリである、
ことを特徴とする。即ち、本発明は、上述した電力変換装置を、モータ駆動用の高負荷バッテリを使用する2電源系車両に搭載して利用することを想定したものである。
Furthermore, the dual power supply system vehicle according to the seventh invention is:
A two-power-source vehicle equipped with any of the power conversion devices described above,
The DC voltage source includes two DC voltage source means having different voltages,
The higher voltage of the DC voltage source means is a high load battery for driving a motor.
It is characterized by that. That is, the present invention assumes that the above-described power conversion device is mounted and used in a dual power supply system vehicle that uses a high-load battery for driving a motor.
第1の発明によれば、3つ以上の入力電位を選択的に接続(即ち、オンオフによっていずれかの電位を断続的に接続する。)するスイッチング手段を備えることによって、モータに印加する電圧として高い電圧が必要な場合、低い電圧で良い場合のいずれの場合においても、モータと電力変換器の両方の損失を小さくすることができる。また、電源からモータまでの間に経由するパワー素子(即ち双方向素子)を1つだけに限定し、他のスイッチではダイオードとする構成を取ることができるため、さらに、低損失、低コスト化を達成することができる。 According to the first invention, the voltage applied to the motor is provided by providing switching means for selectively connecting three or more input potentials (that is, any potential is intermittently connected by turning on and off). In both cases where a high voltage is required and a low voltage is sufficient, the loss of both the motor and the power converter can be reduced. In addition, since only one power element (that is, a bidirectional element) passes between the power source and the motor, and the other switches can be configured as diodes, the loss and cost can be further reduced. Can be achieved.
また、第2の発明によれば、電圧源の各出力部間の電位差を異なる値に設定することによって、モータに印加するパルス状電圧の大きさの種類を従来のもの(電位差が同じとなるよう電位が設定されている)と比べ増やすことができるので、損失をより低減することができる。 Further, according to the second invention, by setting the potential difference between the output portions of the voltage source to different values, the type of the magnitude of the pulse voltage applied to the motor is conventional (the potential difference is the same). since Yo potential can be increased compared to the set being), it is possible to further reduce the loss.
また、第3の発明によれば、交流モータとして最も広く用いられている3相交流モータに適用が可能である。 Moreover, according to 3rd invention, it is applicable to the three-phase alternating current motor most widely used as an alternating current motor.
また、第4の発明によれば、各直流電圧源の入出力電力を制御することができるため、複数の電位のいずれを用いてモータを駆動するかを積極的に変えることで各電圧源から供給する電力を変更することができる。また、バッテリなどの容量が限られた電圧源を用いる場合、各バッテリから供給される電力をコントロールすることで、各バッテリのSOCを最適な値にコントロールすることも可能である。 Further, according to the fourth invention, since the input / output power of each DC voltage source can be controlled, it is possible to control each voltage source by actively changing which of a plurality of potentials is used to drive the motor. The power to be supplied can be changed. Further, when a voltage source having a limited capacity such as a battery is used, the SOC of each battery can be controlled to an optimum value by controlling the power supplied from each battery.
また、第5の発明によれば、本電力変換装置は、電源から供給す電力を任意の値に設定可能であるのでエネルギー密度の小さなキャパシタであっても、安定した電圧源として使用することができる。また、キャパシタを使うことでシステムを小型化することができる。 Further, according to the fifth invention, the power converter can set the power supplied from the power source to an arbitrary value, so that even a capacitor having a small energy density can be used as a stable voltage source. it can. In addition, the system can be miniaturized by using a capacitor.
また、第6の発明は、複数モータおよび複数の電力変換装置を含み、直流電圧源は前記複数の電力変換装置で共用するシステムであり、シリーズ方式のハイブリッド自動車など複数のモータを備えるシステムでは、複数の電力変換器を協調させて動作させることで、複数のバッテリのSOC(充電状態)をコントロールしながら効率良く駆動することができるので、より本電力変換装置の特徴である損失の低減と各電圧源の入出力電力を緻密に制御できる。 A sixth invention includes a plurality of motors and a plurality of power converters, and a DC voltage source is a system shared by the plurality of power converters. In a system including a plurality of motors such as a series hybrid vehicle, By operating a plurality of power converters in a coordinated manner, it is possible to drive efficiently while controlling the SOC (charge state) of a plurality of batteries. The input / output power of the voltage source can be precisely controlled.
また、第7の発明は、2電源系車両へ容易に適用することが可能であり、従来の2電源系車両に用いられていたDC−DCコンバータが必要なくなるので、システム構成が簡単になるとともに、損失を低減することができる。 In addition, the seventh invention can be easily applied to a dual power supply system vehicle, and the DC-DC converter used in the conventional dual power supply system vehicle is not necessary, so that the system configuration is simplified. Loss can be reduced.
以下、本発明の実施の形態を諸図面を参照しつつ詳細に説明する。
第1の実施態様
まずはじめに、本発明の第1の実施態様として、3相3レベル、全部双方向スイッチングによる電力変換装置を詳細に説明する。図2は、本発明の第1の実施態様による電流変換装置の回路構成を示す図である。図に示すように、第1のバッテリ10と第2のバッテリ20とで直流電圧源が構成されている。直流電圧源は2つのバッテリの低電圧側を共通電位とすることで3つの電位を生成している。バッテリ10の電圧Vbhはバッテリ20の電圧Vbmより高い電圧になっている。また、Vbh−VbmはVbmより大きい値に設定されている。
つまり
Vbh>Vbm ・・・(1)
Vbh−Vbm>Vbm ・・・(2)
である。
30は、それらの電圧を変換し交流電圧を生成することで交流モータ40を駆動する電力変換器である。この電力変換器30は、バッテリ10の供給電圧Vbhを安定化させるコンデンサC1と、バッテリ20の供給電圧Vbmを安定化させるコンデンサC2と、モータ40のU相、V相、W相それぞれとバッテリの共通電位電圧(以下0Vと記す)、バッテリ10の高電位側電圧、バッテリ20の高電位側電圧の中から1つだけを選択的に接続するスイッチ群31、32、33とから構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
First Embodiment First, as a first embodiment of the present invention, a power converter by three-phase three-level, all bidirectional switching will be described in detail. FIG. 2 is a diagram showing a circuit configuration of the current converter according to the first embodiment of the present invention. As shown in the figure, the
That is, Vbh> Vbm (1)
Vbh−Vbm> Vbm (2)
It is.
それぞれのスイッチ群は以下のような構成になっている。U相、V相、W相のスイッチ群はいずれも同一の構成であるので、31のU相のスイッチ群についてのみ説明する。Tr11とTr12とで、モータのU相と電圧Vbhとの間を断続する双方向のスイッチを構成しているIGBT(パワー素子)である。Tr21とTr22はU相と電圧Vbmとの間を断続的に接続する双方向スイッチである。Tr31とTr32はU相と共通電位電圧との間を断続する双方向スイッチである。以上の各スイッチにより、U相のスイッチ群が構成される。Tr11とTr12、Tr21とTr22、Tr31とTr32はそれぞれ組となって双方向のスイッチとして動作するが、ある時間間隔においてこれらの3組のうち1組のみがオンとなる。従って、モータのU相にはVbh、Vbm、0Vのいずれかの電圧が印加されることになる。V相のスイッチ群32、W相のスイッチ群33もU相のスイッチ群31と全く同様な構成である。
Each switch group has the following configuration. Since the U-phase, V-phase, and W-phase switch groups all have the same configuration, only 31 U-phase switch groups will be described. Tr11 and Tr12 are IGBTs (power elements) constituting a bidirectional switch for intermittently connecting between the U phase of the motor and the voltage Vbh. Tr21 and Tr22 are bidirectional switches that intermittently connect the U phase and the voltage Vbm. Tr31 and Tr32 are bidirectional switches that intermittently connect between the U phase and the common potential voltage. The above switches constitute a U-phase switch group. Tr11 and Tr12, Tr21 and Tr22, and Tr31 and Tr32 each operate as a bidirectional switch, but only one of these three sets is turned on at a certain time interval. Therefore, a voltage of Vbh, Vbm, or 0V is applied to the U phase of the motor. The V-
次に作用を説明する。モータに印加すべき電圧は、単位時間あたりVbh、Vbm、0Vが印加される時間の割合を調整することで生成される。
図18は、第1の実施態様におけるU相の出力電圧波形を示すタイミングチャートであり、図19は、第1の実施態様におけるU相のスイッチ群を構成するIGBTのゲート信号の状態を示す図である。以下、これらの図を用いて説明する。即ち、図18では、下記(a)〜(c)の3つの場合にU相のスイッチング素子のゲートに印加される信号を示している。図19ではU相の出力電圧を示している。
Next, the operation will be described. The voltage to be applied to the motor is generated by adjusting the proportion of time during which Vbh, Vbm, and 0 V are applied per unit time.
FIG. 18 is a timing chart showing the U-phase output voltage waveform in the first embodiment, and FIG. 19 is a diagram showing the state of the gate signal of the IGBT constituting the U-phase switch group in the first embodiment. It is. Hereinafter, description will be made with reference to these drawings. That is, FIG. 18 shows signals applied to the gate of the U-phase switching element in the following three cases (a) to (c). FIG. 19 shows the U-phase output voltage.
(a)弱め界磁を行なわなくてもバッテリ電圧Vbmでモータ印加電圧生成が可能な場合
Vbhに接続されるスイッチ(U相:Tr11とTr12)をオフに保持して、Vbmと0Vに接続されるスイッチ(U相:Tr21とTr22、Tr31とTr32)を交互にオンオフすることによりPWM(パルス幅変調制御)を行なう。この場合、低い電圧であるVbmをスイッチングすることになる(図18(a))のでパワー素子に発生する損失は小さくなり、電力変換器としてのスイッチ群31の損失は当然小さくて済む。また、この時モータに印加されるパルス状電圧は、低い電圧Vbmから生成されたものであるので高調波成分が少なくなりモータ40の鉄損が少なくて済む。
(A) When the motor applied voltage can be generated with the battery voltage Vbm without performing field weakening, the switch (U phase: Tr11 and Tr12) connected to Vbh is held off and connected to Vbm and 0V. PWM (pulse width modulation control) is performed by alternately turning on and off the switches (U phase: Tr21 and Tr22, Tr31 and Tr32). In this case, Vbm, which is a low voltage, is switched (FIG. 18A), so that the loss generated in the power element is small, and the loss of the
(b)Vbmでは弱め界磁を行う必要があるがVbh−Vbmでは弱め界磁を行う必要がない場合
0Vに接続されるスイッチ(U相:Tr31とTr32)をオフに保持して、VbhとVbmに接続されるスイッチ(U相:Tr11とTr12、Tr21とTr22)を交互にオンオフすることによりPWMを行なう。この場合、Vbhより小さい電Vbh-Vbmの電圧をスイッチングすることになる(図18(b))のでパワー素子で発生する損失は最小で済み、電力変換器としてのスイッチ群31の損失は当然小さくて済む。また、この時モータに印加されるパルス状電圧は、Vbh-Vbmから生成されたものであるので高調波成分が少なくなりモータ40の鉄損が少なくて済む。
(B) When Vbm requires field weakening but Vbh-Vbm does not require field weakening, keep the switch connected to 0V (U phase: Tr31 and Tr32) off and Vbh PWM is performed by alternately turning on and off the switches (U phase: Tr11 and Tr12, Tr21 and Tr22) connected to Vbm. In this case, the voltage Vbh-Vbm smaller than Vbh is switched (FIG. 18B), so that the loss generated in the power element can be minimized, and the loss of the
(c)Vbh―Vbmでは弱め界磁を行う必要がある場合
Vbmに接続されるスイッチ(U相:Tr21とTr22)はオフに保持して、Vbhと0Vに接続されるスイッチ(U相:Tr11とTr12、Tr31とTr32)のオンオフによりPWMを行なう(図18(c))。この場合、弱め界磁電流が少なくて済むので電力変換器としてのスイッチ群31とモータ40の損失が少なくて済む。
以上のような動作により、モータには必要な電圧に応じて、大きさがVbm、Vbh−Vbm、Vhの3種類の大きさのパルス状電圧を印加することができ、このような構成が好適である。一方、電位を等間隔にした場合、つまり、Vbh−Vbm=Vbmとした場合には、2種類の大きさのパルス状電圧しか生成できないため、本実施例より損失が大きくなってしまう。
以上のように、本実施例では従来例と比べ、直流電圧の電位の数が同じであっても電力変換器やモータの損失を小さくすることができる。
(C) When it is necessary to perform field weakening at Vbh-Vbm, the switch connected to Vbm (U phase: Tr21 and Tr22) is kept off, and the switch connected to Vbh and 0 V (U phase: Tr11) And Tr12, Tr31 and Tr32) are turned on and off (FIG. 18 (c)). In this case, since the field weakening current can be reduced, the loss of the
With the above operation, three types of pulse voltages Vbm, Vbh-Vbm, and Vh can be applied to the motor according to the required voltage, and such a configuration is suitable. It is. On the other hand, when the potentials are set at equal intervals, that is, when Vbh−Vbm = Vbm, only two kinds of pulse voltage can be generated, so that the loss becomes larger than in this embodiment.
As described above, in this embodiment, the loss of the power converter and the motor can be reduced even if the number of DC voltage potentials is the same as in the conventional example.
第2の実施態様
次に、本発明の第2の実施態様として、3相3レベル、一部のみ双方向スイッチングによる電力変換装置を詳細に説明する。図3は、本発明の第2の実施態様による電流変換装置の回路構成を示す図である。図に示すように、図3(本実施態様)と図2(第1の実施態様)とは、各相のスイッチ群31a、32a、33aにおいて、電圧Vbhに接続されているスイッチと0Vに接続されているスイッチの構成が異なるが、他の構成要素は同様である。U相のスイッチ群について説明するが、他の相も同様である。高い方の電圧Vbhに接続されているスイッチはIGBTのTr11とダイオードのD1とで構成されている。また、0Vに接続されているスイッチはIGBTのTr31とダイオードのD3とで構成されている。本構成では、バッテリ電圧Vbhがバッテリ電圧Vbmより高い値であるので、これら2つのスイッチの逆方向電流のスイッチとして、実施態様1のTr12とTr32の代わりにそれぞれダイオードD1、D3を使用している。U相電流iuが正である場合でも負である場合でも、Tr11か、Tr21とTr22の組か、Tr31か、いずれかひとつをオンにすれば、オンにしたスイッチが接接続された電圧電位をモータのU相に印加させることができる。なお、本構成では、双方向スイッチ(パワー素子)は各相1つずつで足り、電源からモータまでの間に介在する双方向スイッチが1つのみとなるため、電流の損失のさらなる低減化、さらには低コスト化を図ることができる。
Second Embodiment Next, as a second embodiment of the present invention, a power converter using three-phase three-level, partly bidirectional switching will be described in detail. FIG. 3 is a diagram showing a circuit configuration of the current converter according to the second embodiment of the present invention. As shown in the figure, FIG. 3 (this embodiment) and FIG. 2 (first embodiment) are connected to 0 V and the switches connected to the voltage Vbh in the
図15は、第2の実施態様において最も高い電位のスイッチがオンの場合の電流の流れを説明する図であり、即ち、「Tr11」をオンした場合の動作を図示するものである。Tr11がオンの場合には、Tr21とTr22、Tr31がオフである。U相電流iuが正の場合にはTr11を電流が流れ、負の場合にはD1を流れるので、モータのU相にはVbhの電圧が印加される。
図16は、第2の実施態様において2番目に高い電位のスイッチがオンの場合の電流の流れを説明する図であり、即ち、「Tr21とTr22」をオンした場合の動作を図示するものである。Tr21とTr22がオンの場合には、Tr11、Tr31がオフである。U相電流iuが正の場合にはTr21を電流が流れ、負の場合にはTr22を流れるので、モータのU相にはVbmの電圧が印加される。
FIG. 15 is a diagram for explaining the flow of current when the switch having the highest potential is on in the second embodiment, that is, the operation when “Tr11” is turned on. When Tr11 is on, Tr21, Tr22 and Tr31 are off. When the U-phase current iu is positive, current flows through Tr11. When the U-phase current iu is negative, current flows through D1, so that the voltage Vbh is applied to the U-phase of the motor.
FIG. 16 is a diagram for explaining the flow of current when the second highest potential switch is on in the second embodiment, that is, the operation when “Tr21 and Tr22” are turned on. is there. When Tr21 and Tr22 are on, Tr11 and Tr31 are off. When the U-phase current iu is positive, current flows through Tr21, and when it is negative, it flows through Tr22. Therefore, a voltage of Vbm is applied to the U-phase of the motor.
図17は、第2の実施態様においてもっとも低い電位のスイッチがオンの場合の電流の流れを説明する図であり、「Tr31」をオンした場合の動作を図示するものである。Tr31がオンの場合には、Tr11、Tr21とTr22がオフである。U相電流iuが正の場合にはD1を電流が流れ、負の場合にはTr31を流れるので、モータのU相には0Vの電圧が印加される。
インバータなどの電力変換器ではスイッチング時に短絡が発生することを防止するため、半導体スイッチが同時にオフする時間であるデッドタイムを設けるのが一般的である。デッドタイムを設けた場合、デッドタイム期間中に電流が流れる経路が確保されてなければ、スイッチに過大な電圧が加わることになってしまう。本実施態様では、図4に示すように、デッドタイム期間中は電流が正の場合にはダイオードD1により、電流が負の場合にはD3により電流が流れる経路が確保されているため、過大電圧がパワー素子に加わることを防止することができる。
FIG. 17 is a diagram illustrating the flow of current when the switch having the lowest potential is on in the second embodiment, and illustrates the operation when “Tr31” is turned on. When Tr31 is on, Tr11, Tr21 and Tr22 are off. When the U-phase current iu is positive, the current flows through D1, and when it is negative, the current flows through Tr31. Therefore, a voltage of 0 V is applied to the U-phase of the motor.
In order to prevent a short circuit from occurring during switching in a power converter such as an inverter, it is common to provide a dead time that is a time during which the semiconductor switches are simultaneously turned off. When the dead time is provided, an excessive voltage is applied to the switch unless a path through which current flows during the dead time period is secured. In the present embodiment, as shown in FIG. 4, since a path for current flow is secured by the diode D1 when the current is positive and by D3 when the current is negative during the dead time period, Can be prevented from being added to the power element.
次に、2つのバッテリから供給する電力の点から説明する。本実施態様では、2つのバッテリ1、バッテリ2の状態に応じて、それぞれのバッテリから供給する電力の割合を所望の値に制御することができる。
図13は本実施態様の電力変換器のU相部分及びその駆動信号生成部の構成を示す図であり、図14は各部の信号(駆動スイッチング動作)のタイミングチャートである。この2つの図を用いて説明する。11はU相の駆動信号生成部である。これは、U相の駆動信号であるVugと、どの電位を使ってモータを駆動するかを指示選択するselect信号が入力され、電力変換器のスイッチ群の駆動信号を生成する。11a〜cは、短絡を防止するためのデッドタイム生成部、11d〜fは、素子を駆動するためのドライブ回路である。なお、select信号は、PWM制御部(図示しない)から供給される。
Next, a description will be given in terms of power supplied from two batteries. In the present embodiment, the ratio of the power supplied from each battery can be controlled to a desired value according to the state of the two
FIG. 13 is a diagram showing the configuration of the U-phase portion of the power converter of this embodiment and the drive signal generation unit thereof, and FIG. 14 is a timing chart of signals (drive switching operation) of each unit. This will be described with reference to these two figures. Reference numeral 11 denotes a U-phase drive signal generator. In this case, Vug, which is a U-phase drive signal, and a select signal for indicating and selecting which potential is used to drive the motor are input, and a drive signal for a switch group of the power converter is generated. Reference numerals 11a to 11c denote dead time generators for preventing a short circuit, and reference numerals 11d to f denote drive circuits for driving the elements. The select signal is supplied from a PWM control unit (not shown).
select信号がH(高)の場合には、Tr21とTr22との組がオフになり、Tr11と、Tr31とがU相のPWM信号Vugに従って交互にオンオフする。従って、モータのU相電圧VuはVbhと0Vが交互に現れるパルス状電圧となる。この場合、モータに供給される電力はバッテリ1から供給される(Ph)。
select信号がL(低)の場合には、Tr11がオフになり、Tr21及びTr22の組とTr31とがU相のPWM信号Vugに従って交互にオンオフする。従って、モータのU相電圧VuはVbmと0Vが交互に現れるパルス状電圧となる。この場合、モータに供給される電力はバッテリ2から供給される(Pm)。
select信号をHにする時間とLにする時間の割合を変化させれば、上記2つの動作を行なう時間の割合を変化させることができるので、select信号をコントロールすることでバッテリ1とバッテリ2から供給される電力の割合を所望の値にすることができる。これは、力行の場合も回生の場合も同様である。
When the select signal is H (high), the pair of Tr21 and Tr22 is turned off, and Tr11 and Tr31 are alternately turned on and off according to the U-phase PWM signal Vug. Accordingly, the U-phase voltage Vu of the motor is a pulse voltage in which Vbh and 0V appear alternately. In this case, the electric power supplied to the motor is supplied from the battery 1 (Ph).
When the select signal is L (low), Tr11 is turned off, and the pair of Tr21 and Tr22 and Tr31 are alternately turned on and off according to the U-phase PWM signal Vug. Therefore, the U-phase voltage Vu of the motor is a pulsed voltage in which Vbm and 0V appear alternately. In this case, the electric power supplied to the motor is supplied from the battery 2 (Pm).
If the ratio of the time to set the select signal to H and the time to set it to L is changed, the ratio of the time for performing the above two operations can be changed. Therefore, the
図12は、実施態様2においてモータが回生動作を行っているときにselect信号をLからH(0から1)に切り替えた場合のシミュレーション結果のタイミングチャートを示す。時間t1でselect信号をLからHに切り替えているが、時間t1以前の状態(select信号がLの状態)の時にはバッテリ10に流れる電流であるIhとバッテリ20に流れる電流であるImの両方が流れており、どちらのバッテリにも電力が回生(充電)されている。一方、時間t1以後の状態(select信号がHの状態)の時にはバッテリ20には電流が流れず、バッテリ10にのみ電流(Ih)が流れている。この結果からわかるように、select信号により2つのバッテリへ供給する電力を調整できる。ところで、select信号がLの状態の場合に、バッテリ20だけではなくバッテリ10にも電力が戻っているのは、デッドタイムがあるためである。実際の制御では、このデッドタイム分も考慮してselect信号H/Lの時間割合を決定する。それぞれのバッテリから供給される電力を任意の値に制御できれば、バッテリの状態、例えば、それぞれのバッテリの充電状態に応じて適切な電力を使用することができるという特徴がある。
以上説明したように、本実施例では、電力変換器の構成を簡単にするとともに、2つのバッテリから供給する電力または2つのバッテリへ供給する電力の割合を所望の値にすることができる。さらに言えば、この回生電流の最適配分によって複数のバッテリを最適な充電状態に保つことができるようになる。
FIG. 12 shows a timing chart of the simulation result when the select signal is switched from L to H (0 to 1) when the motor is performing the regenerative operation in the second embodiment. The select signal is switched from L to H at time t1, but both Ih, which is the current flowing to the
As described above, in this embodiment, the configuration of the power converter can be simplified, and the power supplied from the two batteries or the ratio of the power supplied to the two batteries can be set to a desired value. Furthermore, a plurality of batteries can be kept in an optimum charged state by the optimum distribution of the regenerative current.
変形例1−2
次に、3相3レベル、一部のみ双方向スイッチング(即ち、一部はダイオードを使用)による電力変換装置の変形例を2つ示す。
図5は、本発明の第1の変形例による電流変換装置の回路構成を示す図である。図に示すように、図5(本変形例)と図3(実施態様2)とは、各相のスイッチ群31b、32b、33bにおいてスイッチの構成及び結線が異なり、高電圧側を共通電位にしてあり各相の共通電位側のスイッチのみが双方向スイッチの代わりにダイオードを用いているが、他の構成要素(図5では、コンデンサC1、C2は省略してある)は同様である。
図6は、本発明の第2の変形例による電流変換装置の回路構成を示す図である。図に示すように、図6(本変形例)と図3(実施態様2)とは、各相のスイッチ群31c、32c、33cにおいてスイッチの構成及び結線が異なり、バッテリ10、20が直列接続であり、低電位側のスイッチのみが双方向スイッチの代わりにダイオードを用いているが、他の構成要素(図6でも、コンデンサC1、C2は省略してある)は同様である。これらの変形例においても、前述した実施態様とほぼ同様の効果を得ることができるが詳細は省略する。
Modification 1-2
Next, two modifications of the power conversion device using three-phase three-level, partly bidirectional switching (that is, partly using diodes) are shown.
FIG. 5 is a diagram showing a circuit configuration of the current converter according to the first modification of the present invention. As shown in the figure, FIG. 5 (this modification) and FIG. 3 (Embodiment 2) differ in the switch configuration and connection in the
FIG. 6 is a diagram showing a circuit configuration of a current converter according to a second modification of the present invention. As shown in the figure, FIG. 6 (this variation) and FIG. 3 (Embodiment 2) are different in switch configuration and connection in the
第3の実施態様
本発明の第3の実施態様として、3相4レベル、中間電位のみ双方向スイッチングによる電力変換装置を詳細に説明する。図7は、本発明の第3の実施態様による電流変換装置の回路構成を示す図である。本実施態様は、3つのバッテリの低電圧側を共通電位とすることで4つの電位を生成し、この電位電圧からモータ印加電圧を生成する電力変換器の例である。最も高い電圧を持つ第3のバッテリ10shの電圧Vbsh、第1のバッテリ10の電圧Vbh、第2のバッテリ20の電圧Vbmの大小関係は以下のようになっている。
Vbsh>Vbh>Vbm
この実施態様の場合、最大電圧電位に接続されているスイッチと最小電位に接続されているスイッチの逆方向のスイッチをダイオードにしている。このような構成にすることで、スイッチの構成を簡単にしながらも全ての電位の電圧をモータに印加することが可能であり、また、デッドタイム期間中にも電流の経路を確保することができる。即ち、本構成では、双方向スイッチ(パワー素子)を、より低損失かつ低コストのスイッチ(ダイオード)で代用する構成をとっているため、電流が双方向スイッチを流れる機会が少なくなりより低損失、低コスト化を図ることが可能である。
Third Embodiment As a third embodiment of the present invention, a power converter using three-phase four-level, only intermediate potential bidirectional switching will be described in detail. FIG. 7 is a diagram showing a circuit configuration of a current converter according to the third embodiment of the present invention. This embodiment is an example of a power converter that generates four potentials by setting the low voltage side of three batteries to a common potential, and generates a motor applied voltage from these potential voltages. The magnitude relationship among the voltage Vbsh of the third battery 10sh having the highest voltage, the voltage Vbh of the
Vbsh>Vbh> Vbm
In the case of this embodiment, the switch in the reverse direction of the switch connected to the maximum voltage potential and the switch connected to the minimum potential is a diode. With such a configuration, it is possible to apply all potential voltages to the motor while simplifying the configuration of the switch, and it is possible to secure a current path even during the dead time period. . In other words, in this configuration, the bidirectional switch (power element) is replaced with a switch (diode) with lower loss and lower cost, so that the opportunity for current to flow through the bidirectional switch is reduced, resulting in lower loss. It is possible to reduce the cost.
第4の実施態様
本発明の第4の実施態様として、3相3レベル、一部のみ双方向スイッチングによる電力変換装置を実際の2電源系車両に適用したものを詳細に説明する。図8は、本発明の第4の実施態様による電流変換装置の回路構成を示す図である。本実施態様は、42V系と14V系の2電源を備える自動車に適用した例であり、14V系とは一般的に車両に広く用いられている電圧のことである。例えば、車両の補機(灯火類、室内装備、など)を駆動するための電源であるので比較的負荷が小さく低電位の14V程度の蓄電装置が用いられる。
一方、近年の自動車は消費電力が大きくなり、且つ、車両の駆動用又はエアコンのコンプレッサーなど負荷の大きな機器が搭載されることがあり、14V系の電源系では電線を流れる電流が大きくなりすぎるため、より高い電圧である42V系の電源系を備える車両が登場しつつある。このような車では、例えば、大負荷は42V系電源系が、中小負荷には14V系が用いられるシステム構成となる。
Fourth Embodiment A fourth embodiment of the present invention will be described in detail in which a three-phase, three-level, partly bidirectional switching power converter is applied to an actual two-power-source vehicle. FIG. 8 is a diagram showing a circuit configuration of a current converter according to the fourth embodiment of the present invention. This embodiment is an example applied to an automobile having two power sources of 42V system and 14V system, and the 14V system is a voltage generally used in vehicles. For example, since it is a power source for driving auxiliary equipment (lights, indoor equipment, etc.) of a vehicle, a power storage device having a relatively small load and a low potential of about 14V is used.
On the other hand, in recent automobiles, power consumption increases, and equipment with a large load such as a vehicle drive or an air conditioner compressor is sometimes mounted. In a 14V power supply system, the current flowing through the electric wire becomes too large. Vehicles having a
本実施態様における電力変換器30dの構成は、図2に示す第2の実施態様の電力変換器と同じである。40はその出力軸が図示されていないエンジンの出力軸と接続されているモータである。1は42Vのバッテリであり、20は14Vの電圧源として用いるキャパシタ(コンデンサ)である。L1は42V系の各種負荷である。L2は14V系の各種負荷である。モータ40は、通常はエンジンにより駆動され発電機として動作する。その際、第2の実施態様で説明したように、バッテリ10とバッテリ20の状態に応じてモータ40の発電電力を電力変換器30dのスイッチング構成(31d、32d、33d)によりそれぞれのバッテリへ最適な分配比で供給することができる。即ち、図示はしていないが各バッテリの状態を監視するモニタを設けこれによって各バッテリの充電状態などに応じて最適な分配比で電力を供給して、各バッテリの充電状態を最適な状態に保持することが可能となる。
The configuration of the
図9は、従来の42V車両の電源系の構成の一例を示す図であるが、従来の構成では、従来の電力変換器80が設けらており、発電機からの発電電力は42Vの第1のバッテリ10に充電された後、70のDC−DCコンバータで必要量の電力を14Vに変換し、14Vの第2のバッテリ20に供給している。このような従来構成では、42Vを14Vに変換するDC−DCコンバータ70が必要になる。DC−DCコンバータは、コイルが必要になることから小型化が難しく、また損失も大きくなる。
一方、本実施例ではDC−DCコンバータを必要とせず、また、半導体スイッチにより発電電力を直接分配する構成なので、システムのサイズを大幅に小型化でき、また、損失も大幅に低減できる。さらに、電力変換器で14V系の電力を自由にコントロールできるので14V系の電圧源としてコンデンサを用いることができ、さらにシステムを小型にすることができる。
FIG. 9 is a diagram showing an example of a configuration of a power supply system of a conventional 42V vehicle. In the conventional configuration, a conventional power converter 80 is provided, and the generated power from the generator is a first 42V. After the
On the other hand, the present embodiment does not require a DC-DC converter, and since the generated power is directly distributed by the semiconductor switch, the size of the system can be greatly reduced, and the loss can be greatly reduced. Furthermore, it is possible to freely controls the power of 14V system with the power converter can be used a capacitor as a voltage source of 14V system can further make the system compact.
第5の実施態様
本発明の第5の実施態様として、3相3レベル、一部のみ双方向スイッチングによる電力変換装置をシリーズ方式のハイブリッド自動車に適用したものを詳細に説明する。図10は、本発明の第5の実施態様による電流変換装置を組み込んだ車両の機能ブロックを示す図である。10と20はバッテリである。バッテリ10の出力電圧Vbhとバッテリ20のVbmとは以下の関係にある。
Vbh>Vbm (3)
30Aと30Bは、第2の実施態様で説明した図3の電力変換器30と同一のものである。90はエンジンに接続された発電機であり、40は図示されていない車両の駆動輪の駆動トルクを発生するモータである。電力変換器30A,30Bは、第2の実施態様で説明したように、2つのバッテリに出入りする電力を任意に設定することが可能である。モータ40に接続されている電力変換器30Bは、バッテリ10とバッテリ20の2つのバッテリの電力を使って効率良くモータ40を駆動する。
Fifth Embodiment A fifth embodiment of the present invention will be described in detail in which a three-phase, three-level, partly bidirectional switching power converter is applied to a series hybrid vehicle. FIG. 10 is a diagram showing functional blocks of a vehicle incorporating a current converter according to the fifth embodiment of the present invention. 10 and 20 are batteries. The output voltage Vbh of the
Vbh> Vbm (3)
30A and 30B are the same as the
一方、電力変換器30Aは、それぞれのバッテリの状態に応じて、発電機の発電電力をバッテリ10とバッテリ20とに振り分ける。このようにすることで、モータを効率良く駆動しつつ、両方のバッテリを所望のバッテリ状態、例えば所望の充電状態(SOC)に制御することができる。電力変換器30Aがバッテリ10の電圧を使ってモータ6を高効率に駆動している場合、電力変換器30Aはバッテリ10のSOCを一定のSOCに保つためにバッテリ10から電力変換器30Bへ供給されている電力と同じ電力をバッテリ10へ供給することができる。
On the other hand, the
図11に、本実施態様のシミュレーション結果のタイミングチャートを示す。これは、駆動モータ60の出力トルクを一定にした状態でモータが加速している場合のシミュレーション結果である。時間t1以前は、モータ回転(Nmot)が低く、低い電圧で駆動が可能であるので、低い電圧のバッテリであるバッテリ20の電圧を使って駆動している。時間t1以後は、回転が高くなり高い電圧のバッテリであるバッテリ10の電圧を使って駆動している。時間t1以前では、バッテリからの電流はバッテリ20(Im)から供給され、それ以後ではバッテリ10(Ih)から供給されている。この図には示さないが、電力変換器3からは、それぞれのバッテリから供給された電力とほぼ同じ電力を供給するように制御することで、各バッテリのSOCはほぼ一定に保つことができる。
以上説明したように、2つのモータを用いるシリーズハイブリッド自動車のような用途では、モータを高効率に駆動しながら、2つのバッテリのSOCを所望の値に制御することができる。
In FIG. 11, the timing chart of the simulation result of this embodiment is shown. This is a simulation result when the motor is accelerating with the output torque of the drive motor 60 kept constant. Prior to time t1, since the motor rotation (Nmot) is low and the drive is possible at a low voltage, the drive is performed using the voltage of the
As described above, in applications such as a series hybrid vehicle using two motors, the SOCs of the two batteries can be controlled to desired values while driving the motors with high efficiency.
最後に、本発明の特徴及び利点をまとめる。
1.複数電源電圧を使って、モータ効率もインバータ効率も高効率にできる。
・モータ印加電圧に応じて使用する電圧を切替(Vbh or Vbl)可能である。
・3レベル駆動で高調波電流を低減できる。
2.複数電源の入出力電力を独立に制御できる。
・42V系の車であれば、降圧DC/DCコンハ゛ータがなくても14V系電源を充電可能である。
・電源のうちのいずれかの電力をその他の電源に移すことも可能である。
3.マトリックスコンバータ、昇圧DC/DCコンバータ+インバータ、従来の3レベルインバータと比べて、構成が簡単である。
Finally, the features and advantages of the present invention are summarized.
1. Using multiple power supply voltages, both motor efficiency and inverter efficiency can be improved.
-The voltage to be used can be switched (Vbh or Vbl) according to the motor applied voltage.
・ Harmonic current can be reduced by 3-level drive.
2. Input / output power of multiple power supplies can be controlled independently.
・ If it is a 42V car, it can be charged with a 14V power supply without a step-down DC / DC converter.
It is possible to transfer any power from one of the power sources to the other power source.
3. Compared to a matrix converter, a step-up DC / DC converter + inverter, and a conventional three-level inverter, the configuration is simple.
本明細書では、様々な実施態様で本発明の原理を説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき本発明に様々な修正や変更を加えることができ、それらも本発明に含まれるものであることに留意されたい。
例えば、スイッチング素子の例示としてIGBTを挙げたが、本発明はGTOやトランジスタなど他のパワー素子などの既知の素子を使用しても良い。
例えば、第5の実施態様では2つのバッテリを使う構成を説明したが、バッテリは高電圧側だけにして、低電圧側はキャパシタにして充放電量をコントロールすることで任意の電圧に制御することも可能である。さらに、第5の実施態様では1つのモータのみを使用する構成を説明したが、複数モータの構成を取ることもできその場合は、2つの電圧ラインへの供給パワーの可変幅を大きくできる。同様に、第2の実施態様では2つのバッテリを使う構成を説明したが、バッテリは高電圧側だけにして、低電圧側はキャパシタにして充放電量をコントロールすることで任意の電圧に制御することも可能である。
Although the principle of the present invention has been described in various embodiments in the present specification, those skilled in the art can make various modifications and changes to the present invention based on the present disclosure, and these are also included in the present invention. Please note that
For example, although IGBT is given as an example of the switching element, the present invention may use a known element such as another power element such as a GTO or a transistor.
For example, in the fifth embodiment, a configuration in which two batteries are used has been described. However, the battery is only on the high voltage side, the low voltage side is a capacitor, and the charge / discharge amount is controlled to be controlled to an arbitrary voltage. Is also possible. Furthermore, in the fifth embodiment, the configuration using only one motor has been described. However, a configuration of a plurality of motors can be used, and in this case, the variable width of the power supplied to the two voltage lines can be increased. Similarly, in the second embodiment, the configuration using two batteries has been described. However, the battery is only on the high voltage side, the low voltage side is a capacitor, and the charge / discharge amount is controlled to be controlled to an arbitrary voltage. It is also possible.
10 第1のバッテリ
10sh 第3のバッテリ
20 第2のバッテリ
Vbh バッテリ1の電圧
Vbm バッテリ2の電圧
30 電力変換器
40 交流モータ
C1、C2 コンデンサ
31、32、33 U相、V相、W相のスイッチ群
Tr11−92 スイッチ(IGBT)
30a 電力変換器
31a、32a、33a U相、V相、W相のスイッチ群
D1−9 ダイオード
30b,30c 電力変換器
31b、32b、33b U相、V相、W相のスイッチ群
31c、32c、33c U相、V相、W相のスイッチ群
L1、L2 負荷
駆動モータ60
70 DC−DCコンバータ
80 従来の電力変換器
30A,30B 電力変換器
90 発電機
DESCRIPTION OF
70 DC-DC converter 80
Claims (7)
前記直流電圧源は、共通電位を含めて3つ以上の電位を出力する電圧源出力部を備え、
前記電力変換装置は、前記3つ以上の電位の1つに接続し、電圧を前記電力変換装置の出力部に印加するスイッチング手段を各々を備え、
前記スイッチング手段は、前記3つ以上の電位に各々に接続してオンオフのパルス幅を制御することにより前記パルス状電圧を生成する、
ことを特徴とする電力変換装置。 A power conversion device that generates an AC voltage waveform from a DC voltage source output voltage as a pulse voltage,
The DC voltage source includes a voltage source output unit that outputs three or more potentials including a common potential,
Each of the power converters includes switching means for connecting to one of the three or more potentials and applying a voltage to the output of the power converter,
The switching means generates the pulse voltage by connecting to each of the three or more potentials and controlling an on / off pulse width.
The power converter characterized by the above-mentioned.
前記電圧源出力部は、出力部間の電位を大きさ順に並べた場合、隣接する出力部の電位との電位差が異なる大きさに設定されている、
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
When the voltage source output unit arranges the potential between the output units in order of magnitude, the potential difference with the potential of the adjacent output unit is set to a different magnitude,
The power converter characterized by the above-mentioned.
前記交流電圧波形は、多相交流電圧波形であって、多相交流モータを駆動するための波形である、
ことを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device according to claim 1 or 2,
The AC voltage waveform is a multiphase AC voltage waveform and is a waveform for driving a multiphase AC motor.
The power converter characterized by the above-mentioned.
前記スイッチング手段は、前記電圧源出力部の各直流電圧源の入出力電力量を制御することを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device according to any one of claims 1 to 3,
The switching means controls the input / output power amount of each DC voltage source of the voltage source output unit.
前記直流電圧源の少なくとも1つは、キャパシタである、
ことを特徴とする請求項1〜4の電力変換装置。 In the power converter device according to any one of claims 1 to 4,
At least one of the DC voltage sources is a capacitor;
The power conversion device according to claim 1, wherein
前記モータと前記記電力変換装置とからなる組を複数組備え、
これら電力変換装置に電力を供給する前記直流電圧源は、前記複数の電力変換装置で共用されている、
ことを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device according to any one of claims 1 to 5,
A plurality of sets including the motor and the power converter are provided,
The DC voltage source that supplies power to these power converters is shared by the plurality of power converters,
The power converter characterized by the above-mentioned.
前記直流電圧源は、電圧の異なる2つの直流電圧源手段を備え、
前記直流電圧源手段の電圧の高い方は、モータ駆動用の高負荷用バッテリである、
ことを特徴とする2電源系車両。
A dual power system vehicle equipped with the power conversion device according to any one of claims 1 to 6,
The DC voltage source includes two DC voltage source means having different voltages,
The higher voltage of the DC voltage source means is a high load battery for driving a motor.
A dual power system vehicle characterized by the above.
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