JP2022119108A - power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置に関する。 The present invention relates to power converters.
特許文献１は、交流電動機と直流電源との間で電力変換を行う電力変換装置であって、直流電源に入力側が接続される一方で、出力側が交流電動機の第１の巻線に接続された電圧型の第１のインバータと、直流電源に対して、入力側が第１のインバータと並列に接続され、出力側が第１の巻線と同相の第２の巻線に接続された電流型の第２のインバータと、直流電源と第２のインバータとの間に順方向に接続されたダイオードと、を備える電力変換装置を開示している。
特許文献１の電力変換装置においては、第１のインバータの回生動作により、第１のインバータを介して直流電源であるバッテリへ電力供給が可能となっている。更に特許文献１は、充電用の外部充電端子を設けることにより、充電機能を持たせた実施形態も開示している（実施の形態２）。この形態においては、外部充電端子に外部電源である低電圧電源または高電圧電源が接続された時、第２のインバータを昇圧型チョッパ回路または降圧型チョッパ回路として使用し、交流電動機であるモータのコイルを介してバッテリを充電する。これにより、昇圧型回路を利用しない充電回路を形成し、効率の悪化を抑制している。
In the power conversion device of
上述した電力変換装置においては、バッテリと外部電源という電源同士が完全には絶縁されていない。安全の観点からは、外部電源によりバッテリを充電している間、電源同士の間で絶縁を確保することが望ましい。 In the power conversion device described above, the power sources such as the battery and the external power source are not completely insulated from each other. From a safety point of view, it is desirable to ensure isolation between the power sources while charging the battery with an external power source.
本発明は、外部電源によりバッテリを充電中に、外部電源とバッテリの絶縁状態を維持することができる電力変換装置を提供する。 The present invention provides a power conversion device capable of maintaining an insulated state between an external power supply and a battery while the battery is being charged by the external power supply.
本発明は、
第一コイル群と、前記第一コイル群と磁気結合しているとともに電気的に絶縁された第二コイル群と、を含むモータと、
バッテリと、
入力側が前記バッテリと接続され、出力側が前記第一コイル群と接続された第一インバータと、
入力側が前記第一インバータと並列に前記バッテリと接続され、出力側が前記第二コイル群と接続された第二インバータと、を備える電力変換装置であって、
前記第二インバータは、開閉器を介して前記バッテリ及び前記第一インバータと接続され、
前記開閉器と前記第二インバータとの間には、外部電源と接続可能な外部電源接続部が設けられている。
The present invention
a motor including a first coil group and a second coil group magnetically coupled to and electrically insulated from the first coil group;
a battery;
a first inverter having an input side connected to the battery and an output side connected to the first coil group;
a second inverter whose input side is connected to the battery in parallel with the first inverter, and whose output side is connected to the second coil group,
The second inverter is connected to the battery and the first inverter via a switch,
An external power supply connecting portion connectable to an external power supply is provided between the switch and the second inverter.
本発明によれば、外部電源とバッテリの絶縁状態を維持しつつ、外部電源によりバッテリを充電することが可能となる。これにより、外部電源の電圧異常の様な不測の状態が生じても、バッテリを保護することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to charge a battery with an external power supply, maintaining the insulation state of an external power supply and a battery. As a result, the battery can be protected even in the event of an unexpected condition such as an abnormal voltage of the external power supply.
以下、本発明の電力変換装置の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。 An embodiment of a power conversion device of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置１を示す。電力変換装置１は、モータ４０と、バッテリ３と、第一インバータ１０と、第二インバータ２０と、制御部７と、を備えている。電力変換装置１は、直流電源であって例えば車両に搭載されたバッテリ３からの直流電流を交流電流に変換し、例えば電動車両の駆動源であるモータ（交流電動機）４０を駆動させる。また、電力変換装置１は、モータ４０が発電機として回生を行った場合は、発電された交流電流を直流電流に変換し、バッテリ３に供給する。なお、バッテリ３は、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池等の二次電池を利用することができるが、その種類は特に限定されない。
FIG. 1 shows a
モータ４０は、第一コイル群４１と、第一コイル群４１と磁気結合しているとともに電気的に絶縁された第二コイル群４２と、を含む。モータ４０は、三相の交流モータであり、図示は省略するが、回転するロータ（回転子）と、ロータの外周に配置されたステータ（固定子）とを備える。ステータには、複数のティースが一定間隔で配置されており、ステータには、第一コイル群４１を構成する第一のコイル４１ａ、４１ｂ、４１ｃと、第二コイル群４２を構成する第二のコイル４２ａ、４２ｂ、４２ｃが巻き付けられている。第一のコイル４１ａ及び第二のコイル４２ａは、例えばＵ相コイルであり、電気的に絶縁されているが磁気的に結合されるように配置される。第一のコイル４１ｂ及び第二のコイル４２ｂは、例えばＶ相コイルであり、電気的に絶縁されているが磁気的に結合されるように配置される。第一のコイル４１ｃ及び第二のコイル４２ｃは、例えばＷ相コイルであり、電気的に絶縁されているが磁気的に結合されるように配置される。
The
第一インバータ１０は、入力側がバッテリ３と接続され、出力側が第一コイル群４１と接続され、第一コイル群４１の第一のコイル４１ａ、４１ｂ、４１ｃを励磁する。第二インバータ２０は、入力側が第一インバータ１０と並列にバッテリ３と接続され、出力側が第二コイル群４２と接続され、第二コイル群４２の第二のコイル４２ａ、４２ｂ、４２ｃを励磁する。
The
第一インバータ１０は、３相のスイッチング回路１１、１２、１３を備える。各スイッチング回路１１、１２、１３は、直列接続された一対のスイッチ素子、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂを備え、各ＩＧＢＴ１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂには、それぞれ還流ダイオードが並列に接続される。
The
第二インバータ２０は、３相のスイッチング回路２１、２２、２３を備える。各スイッチング回路２１、２２、２３は、直列接続された一対のスイッチ素子、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂを備え、各ＩＧＢＴ２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂには、それぞれ還流ダイオードが並列に接続される。
The
そして、本実施形態においては、第二インバータ２０の入力側端子対２５（２５ａ、２５ｂ）が、開閉器５（５ａ、５ｂ）を介して第一インバータ１０の入力側端子対１５（１５ａ、１５ｂ）と接続されている。上記したように、第一インバータ１０の入力側は、バッテリ３と接続されているので、第二インバータ２０は、入力側が開閉器５（５ａ、５ｂ）を介してバッテリ３及び第一インバータ１０と接続される。
In this embodiment, the input terminal pair 25 (25a, 25b) of the
開閉器５（５ａ、５ｂ）は、電力変換装置１の回路を開閉可能なスイッチであり、例えばリレー、コンタクタ等の電磁開閉器により構成される。開閉器５（５ａ、５ｂ）は、場面に応じて、第一インバータ１０と第二インバータ２０の接続をオンまたはオフとする。
The switches 5 (5a, 5b) are switches capable of opening and closing the circuit of the
また、開閉器５（５ａ、５ｂ）と第二インバータ２０との間には、外部電源と接続可能な外部電源接続部８（８ａ、８ｂ）が設けられている。
Further, between the switch 5 (5a, 5b) and the
外部電源は、電力変換装置１とは別体の交流又は直流の外部電源であり、固定施設の電源や、移動可能な電源である。第二インバータ２０の入力側端子対２５（２５ａ、２５ｂ）は、外部電源接続部８（８ａ、８ｂ）を介して外部電源に接続される。外部電源の接続により、第一インバータ１０、第二インバータ２０及びモータ４０を昇降圧ＤＣ－ＤＣコンバータとして使用し、モータ４０の第一コイル群４１と第二コイル群４２を介してバッテリ３を充電することが可能である。
The external power supply is an AC or DC external power supply that is separate from the
制御部７は、場面に応じて第一インバータ１０、第二インバータ２０、開閉器５（５ａ、５ｂ）の動作を制御する、いわばモード切替制御装置であり、予め定められたプログラムに従って動作する種々のプロセッサ（コンピュータ）等により構成され得る。
The
外部電源が接続されておらず、バッテリ３の電力によりモータ４０を駆動する場合、制御部７は、開閉器５（５ａ、５ｂ）を導通状態、すなわちオン（閉）とすることにより、第一インバータ１０と第二インバータ２０を並列動作させる。これにより、モータ４０が駆動し、例えば電力変換装置１を搭載した車両を駆動させることができる。また、モータ４０が発電機として回生を行った場合は、発電された交流電流を直流電流に変換し、バッテリ３に供給することができる。
When the
一方、外部電源を外部電源接続部８（８ａ、８ｂ）を介して第二インバータ２０の入力側端子対２５（２５ａ、２５ｂ）に接続すると、第二インバータ２０、モータ４０、第一インバータ１０を介してバッテリ３を充電することが可能となる。しかしながらこの状態で開閉器５（５ａ、５ｂ）がオン（閉）であると、外部電源とバッテリ３という二つの電源が開閉器５（５ａ、５ｂ）を介して接続することになってしまい、二つの電源の絶縁の確保が困難となる。このような状態では、例えば外部電源の電圧異常（例えばサージ等による電圧の急上昇）が発生した場合、バッテリ３に支障をきたすおそれがある。
On the other hand, when an external power source is connected to the input side terminal pair 25 (25a, 25b) of the
本実施形態においては、外部電源を外部電源接続部８（８ａ、８ｂ）を介して第二インバータ２０の入力側端子対２５（２５ａ、２５ｂ）に接続した際、制御部７は、開閉器５（５ａ、５ｂ）を絶縁状態、すなわちオフ（開）にすることができる。制御部７は、開閉器５（５ａ、５ｂ）を絶縁状態とし、外部電源とバッテリ３が絶縁された状態で、第一コイル群４１と、第二コイル群４２と、第一インバータ１０と、第二インバータ２０を用いて昇圧または降圧を行う。これにより、外部電源とバッテリ３の接続が切り離され、外部電源とバッテリ３の絶縁状態を維持しつつ、外部電源により、第二インバータ２０、モータ４０、第一インバータ１０を介してバッテリ３を充電することが可能となる。そして、外部電源の電圧異常の様な不測の状態が生じても、バッテリ３を保護し、安全性を保つことができる。なお、外部電源によりバッテリ３を充電する際の制御については後述する。
In this embodiment, when an external power supply is connected to the input side terminal pair 25 (25a, 25b) of the
また、本実施形態は、第一インバータ１０と並列に接続される第一キャパシタＣ１と、第二インバータ２０と並列に接続される第二キャパシタＣ２と、を備えている。そして、第二キャパシタＣ２の容量は第一キャパシタＣ１の容量より大きくなるように設定されている。
The present embodiment also includes a first capacitor C1 connected in parallel with the
充電における電流変化は、バッテリ３の劣化や過充電をもたらすおそれがあるため、基本的に電流（電力）を一定に維持することが好ましい。しかしながら外部電源の入力電力が常に一定であることは必ずしも保障されないのが実情である。特に単相の交流外部電源が接続された場合、入力電力の脈動が大きく、連動してキャパシタの電圧も大きく変動することが予想される。
A change in current during charging may cause deterioration or overcharging of the
バッテリ３の充電電力が定電力、単相の交流外部電源からの入力が力率１と仮定すると、キャパシタへの入力電力ｐ、キャパシタにおける電力変動Δｐは下記の式（１）、（２）により与えられる。
Assuming that the charging power of the
キャパシタの平均電圧をＶｃ－ａｖｅ、最低電圧をＶｃ－ｍｉｎとすると、下記の式（３）が成立するように、キャパシタの容量Ｃを決定することが要求される。 Assuming that the average voltage of the capacitor is V c-ave and the minimum voltage is V c-min , it is required to determine the capacitance C of the capacitor so that the following equation (3) holds.
すなわち、キャパシタの容量Ｃが小さいと、Ｖｃ－ａｖｅを大きくしなければならず、効率の低下が懸念され、高耐圧素子の必要性が生ずることになる。そこで、充電における二つのインバータ（第一インバータ１０、第二インバータ２０）の切り離し（開閉器５（５ａ、５ｂ）のオフ）時に、入力側であって電圧が変動し得るキャパシタ、すなわち第二キャパシタＣ２の容量を大きくなるように設定する。
In other words, if the capacitance C of the capacitor is small, V c-ave must be increased, and there is concern about a drop in efficiency, resulting in the need for a high withstand voltage element. Therefore, when the two inverters (the
充電時に分離される第一キャパシタＣ１と第二キャパシタＣ２において、電圧が変動し得る第二キャパシタＣ２部分の容量を大きくとることにより、電圧をより安定させてエネルギー損失を抑制し、効率を向上することができる。特に単相の交流外部電源の接続時において、変動しやすい第二キャパシタＣ２の電圧を安定させ、エネルギー損失を抑制し、効率を向上することができる。 In the first capacitor C1 and the second capacitor C2 that are separated during charging, by increasing the capacity of the second capacitor C2 part where the voltage may fluctuate, the voltage is stabilized more, the energy loss is suppressed, and the efficiency is improved. be able to. In particular, when a single-phase AC external power supply is connected, the easily fluctuating voltage of the second capacitor C2 can be stabilized, energy loss can be suppressed, and efficiency can be improved.
図２は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置１を示す。本実施形態の電力変換装置１は、実施の形態１に係る電力変換装置１の構成に加え、開閉器５（５ａ、５ｂ）に対し入力側が第二インバータ２０と並列に接続される第三インバータ３０と、第三インバータ３０の出力側に設けられ、外部電源へ接続される外部接続端子３６と、をさらに備えている。制御部７は、場面に応じて第一インバータ１０、第二インバータ２０、第三インバータ３０、開閉器５（５ａ、５ｂ）の動作を制御する。
FIG. 2 shows a
第三インバータ３０は、具体的には、外部電源接続部８（８ａ、８ｂ）を介して、第二インバータ２０の入力側端子対２５（２５ａ、２５ｂ）に接続されている。よって、第三インバータ３０の出力側の外部接続端子３６に外部電源が接続されると、外部電源が、第三インバータ３０、入力側端子対２５（２５ａ、２５ｂ）を介して、第二インバータ２０に接続される。第三インバータ３０は、３相のスイッチング回路３１、３２、３３を備える。各スイッチング回路３１、３２、３３は、直列接続された一対のスイッチ素子、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂを備え、各ＩＧＢＴ３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂには、それぞれ還流ダイオードが並列に接続される。すなわち、第三インバータ３０は、モータ４０を駆動する駆動回路として機能する第一インバータ１０、第二インバータ２０と共通の構成を有しており、第一インバータ１０、第二インバータ２０と共通の部品（インバータモジュール）により構成することができる。
Specifically, the
第三インバータ３０の出力側に接続された外部接続端子３６は、３相もしくは単相の交流用外部接続端子３７と２相の直流用外部接続端子３８を含んでいる。交流用外部接続端子３７には交流外部電源が接続可能であり、直流用外部接続端子３８には直流外部電源が接続可能である。
The
実施の形態１と同様に、バッテリ３の電力によりモータ４０を駆動する場合、制御部７は、開閉器５（５ａ、５ｂ）を導通状態、すなわちオン（閉）とすることにより、第一インバータ１０と第二インバータ２０を並列動作させる。図３は、実施の形態２に係る電力変換装置１において、制御部７がバッテリ３から第一インバータ１０及び第二インバータ２０を介してモータ４０（第一コイル群４１及び第二コイル群４２）に電力を供給している状態を示す。これにより、モータ４０が駆動し、例えば電力変換装置１を搭載した車両を駆動させることができる。
As in the first embodiment, when the
一方、外部電源が外部接続端子３６に接続されると、第三インバータ３０は充電回路の一部として機能する。すなわち、制御部７は、外部電源の接続時に開閉器５（５ａ、５ｂ）を絶縁状態とし、外部電源とバッテリ３が絶縁された状態にしたうえで、外部電源から、外部接続端子３６、第三インバータ３０、第二インバータ２０、モータ４０、第一インバータ１０からなる充電回路を介して、バッテリ３を充電することができる。図４は、実施の形態２に係る電力変換装置１において、制御部７が外部電源からバッテリ３への充電を制御している状態を示す。図４において、実線の矢印は交流用外部接続端子３７を介した充電を示し、点線の矢印は直流用外部接続端子３８を介した充電を示している。充電時には、第一インバータ１０、第二インバータ２０、及び第三インバータ３０により昇圧（バッテリ３よりも低電圧の外部電源電圧を昇圧して充電）、降圧（バッテリ３よりも高電圧の外部電源電圧を降圧して充電）のいずれの動作も行うことができる。単相交流の外部電源接続時は第３インバータの持つ２相を用いて充給電を行う。３相インバータである第３インバータの残る１相を例えば太陽光発電（ＰＶ）など他の回路と接続し別の回路との電力伝送に用いることもできる。
On the other hand, when an external power supply is connected to the
また、制御部７は、外部電源の接続時に開閉器５（５ａ、５ｂ）を絶縁状態とし、外部電源とバッテリ３が絶縁された状態にしたうえで、バッテリ３から、第一インバータ１０、モータ４０、第二インバータ２０、外部接続端子３６、第三インバータ３０からなる充電回路を介して、外部電源に給電することができる。図５は、実施の形態２に係る電力変換装置１において、制御部７がバッテリ３から外部電源への給電を制御している状態を示す。図５において、実線の矢印は交流用外部接続端子３７を介した給電を示し、点線の矢印は直流用外部接続端子３８を介した給電を示している。給電時には、第一インバータ１０、第二インバータ２０、及び第三インバータ３０により昇圧（バッテリ３よりも低電圧の外部電源電圧を昇圧して充電）、降圧（バッテリ３よりも高電圧の外部電源電圧を降圧して充電）のいずれの動作も行うことができる。
In addition, the
上述した様に本実施形態においては、充電回路の一部を駆動回路と共有するとともに、充電時にＰＦＣ回路として機能する第三インバータ３０を、駆動回路を構成する第一インバータ１０、第二インバータ２０と共通の部品（インバータモジュール）により構成することができる。よって、充電回路と駆動回路の部品の共通化を図ることができ、コストダウンを図ることができる。
As described above, in the present embodiment, the
また、ＰＦＣ回路を構成する部品としてインバータモジュールを用いることにより、３相電源を含め多様な外部電源に対応でき、回路の仕様による電力利用の機会を逃すことを減らすことができる。 In addition, by using an inverter module as a component of the PFC circuit, various external power sources including a three-phase power source can be used, and missed opportunities for using power due to circuit specifications can be reduced.
また、電力変換装置１が双方向の電力伝送が可能であることにより、車両の保持する電力を他の電気機器・施設へ活用でき、Ｖ２Ｇ（Vehicle to Grid）やＶ２Ｈ（Vehicle to Home）等に対応することができる。また、バッテリ３と外部電源を絶縁する構造を持つことで、電圧異常発生時に車両側の電気回路を保護し、安全性を保つことができる。
In addition, since the
また、上述した充電回路、駆動回路においてインダクタ、トランス等の高重量、高体積部品の使用を抑制することができるため、電力変換装置１を小型化、軽量化することができる。更に開閉器５（５ａ、５ｂ）を用いることにより、外部電源とバッテリ３の絶縁を維持するための追加部品を少量で済ませることができる。
In addition, since it is possible to suppress the use of heavy and bulky parts such as inductors and transformers in the above-described charging circuit and drive circuit, the
なお、上記したように、外部接続端子３６は直流用外部接続端子３８を備えている。これまでの制御と異なり、制御部７は、直流充電または直流給電時に、開閉器５（５ａ、５ｂ）を導通状態とし、第三インバータ３０を制御してもよい。
In addition, as described above, the
これまで述べた実施形態では、制御部７は開閉器５（５ａ、５ｂ）を絶縁状態とすることにより、外部電源とバッテリ３の接続を切り離し、外部電源による充電を行う際の安全性を担保している。
In the embodiment described so far, the
図６に示す通り、接続される外部電源が直流外部電源である場合、直流用外部接続端子３８に直流外部電源が接続されることとなる。電流値は一定値であることから、開閉器５（５ａ、５ｂ）を必ずしも絶縁状態にする必要はないとも考えられる。
As shown in FIG. 6, when the external power supply to be connected is a DC external power supply, the DC external power supply is connected to the
ただし、一般的にオン状態の開閉器の如きスイッチに大電流が流れると、接点部分の電流による電磁反発力により、勝手にスイッチがオフになってしまい、動作が不安定となる懸念が生ずる。このため、スイッチとして短絡耐量という許容電流値が設定されているのが一般的である。 However, in general, when a large current flows through a switch such as a switch that is in an on state, there is a concern that the switch will be turned off by itself due to the electromagnetic repulsive force due to the current in the contact portion, resulting in unstable operation. For this reason, an allowable current value called short-circuit resistance is generally set for the switch.
しかしながら、本実施形態では、直流用外部接続端子３８と開閉器５（５ａ、５ｂ）との間に第三インバータ３０が介在している。このため、直流外部電源を直流用外部接続端子３８に接続し、充電を行う際、開閉器５（５ａ、５ｂ）がオンであっても、開閉器５（５ａ、５ｂ）を流れる電流が短絡耐量（許容電流値）を超える前に、第三インバータ３０のスイッチング回路３１、３２、３３で制御することができる。
However, in this embodiment, the
図７は、図６とは逆に、制御部７がバッテリ３から直流外部電源への給電を制御している状態を示す。この給電においては、第一インバータ１０のスイッチング回路１１、１２、１３で制御することができる。
Contrary to FIG. 6, FIG. 7 shows a state in which the
本実施形態では、直流外部電源に接続時、開閉器５（５ａ、５ｂ）を閉じた状態で充電することもできる。その際、第三インバータ３０のスイッチング回路３１、３２、３３を介していることで、開閉器５（５ａ、５ｂ）の短絡耐量に応じて電流を制限し、動作に対し保護装置となるとともに、効率よく充電を行うことができる。
In this embodiment, when connected to the DC external power supply, the battery can be charged with the switch 5 (5a, 5b) closed. At that time, by passing through the switching
続いてバッテリ３を充電する際の、モータ４０の回転なしで行う電力伝送について説明する。まずは回転磁界の生成による伝送について実施の形態１を例に説明する。
Next, power transmission performed without rotation of the
制御部７はモータの各相電流をセンサ（図省略）で取得し、ｄｑ変換によって得られたｄ軸電流、q軸電流を目標値に近づくよう第一インバータ１０及び第二インバータ２０の各相を制御する。
The
充電時においてロータは静止しており、仮想的な角速度ωを生成し、３相交流を発生させてｄｑ変換を行うと、回転磁界とロータは同期しないためインダクタンスＬは平均化され、突極性は現れない。コイルの結合度ｋ（０＜ｋ＜１）を考慮して２相の巻線をｄｑモデルで表すと、式（４）の様になる。 When the rotor is stationary during charging, a virtual angular velocity ω is generated, a three-phase alternating current is generated, and dq conversion is performed. It does not appear. If the two-phase windings are represented by a dq model in consideration of the degree of coupling k (0<k<1) of the coils, the equation (4) is obtained.
Ｉｄ１：第一インバータ側界磁電流
Ｉｄ２：第二インバータ側界磁電流
Ｉｑ１：第一インバータ側トルク電流
Ｉｑ２：第二インバータ側トルク電流
Ｖｄ１：第一インバータ側界磁電圧
Ｖｄ２：第二インバータ側界磁電圧
Ｖｑ１：第一インバータ側トルク電圧
Ｖｑ２：第二インバータ側トルク電圧
ω：角速度
ｒ：抵抗値
Ｌ：インダクタンス
ｋ：コイルの結合度
I d1 : First inverter side field current I d2 : Second inverter side field current I q1 : First inverter side torque current I q2 : Second inverter side torque current V d1 : First inverter side field voltage V d2 : second inverter side field voltage V q1 : first inverter side torque voltage V q2 : second inverter side torque voltage ω: angular velocity r: resistance value L: inductance k: degree of coil coupling
抵抗値ｒが小さく無視できると仮定し（ｒ≒０）、漏れインダクタンスｌ、相互インダクタンスＭ、コイルの結合度ｋの間には、ｌ＝（１－ｋ）×Ｌ、Ｍ＝ｋ×Ｌの関係が成立するため、結合された２つの３相巻線のｄｑ変換モデルは式（５）のようになる。 Assuming that the resistance value r is small and can be ignored (r≈0), there are the following equations between the leakage inductance l, the mutual inductance M, and the degree of coupling k of the coil: l=(1−k)×L, M=k×L Since the relationship is established, the dq transformation model of the two coupled three-phase windings is given by Equation (5).
式（５）より、伝送される電力Ｐは式（６）のようになる。
前提としてＩｑ１＝－Ｉｑ２＝Ｉｑであるため、最終的に電力Ｐは、式（７）により求められる。 Since I q1 =−I q2 =I q as a premise, the power P is finally obtained by the equation (7).
Ｉｄ１＋Ｉｄ２が界磁電流の合計であり、（７）式から第一インバータ１０と第二インバータ２０の電流制御により、モータ４０を回転させずに、電力伝送が可能となることが分かる。
I d1 +I d2 is the total field current, and it can be seen from the equation (7) that electric power can be transmitted without rotating the
また、制御部７は、外部電源との接続時にはモータ４０の内部で交番磁界を生成し、第一インバータ１０と第二インバータ２０との間で電力伝送を行うように制御することもできる。
Further, the
回転磁界で制御を行う場合、それに伴いモータ４０のロータで若干の振動や騒音が発生し得るが、交番磁界で充電をすることにより、モータ４０の振動や騒音を抑制することができる。
When the control is performed using the rotating magnetic field, the rotor of the
既に説明した回転磁界は、静止したロータの下で仮想的な角速度ωを生成し、この角速度ωにおける３相電流制御において発生する回転磁界のモデルであり、モータの突極性が陽に現れない。一方、交番磁界は、特定の方向に磁界を固定し、強弱のみを変化させた磁界である。ロータのｄ軸方向での交番磁界による電力伝送ができればトルクが発生しないため、充電時の騒音低減が可能である。またq軸方向ではインダクタンスが大きいので界磁電流を小さくすることが可能であり、効率が向上することも期待できる。 The rotating magnetic field already described generates a virtual angular velocity ω under a stationary rotor, and is a model of the rotating magnetic field generated in three-phase current control at this angular velocity ω, and the saliency of the motor does not appear explicitly. On the other hand, an alternating magnetic field is a magnetic field in which the magnetic field is fixed in a specific direction and only the strength is changed. If electric power can be transmitted by an alternating magnetic field in the d-axis direction of the rotor, no torque will be generated, so noise during charging can be reduced. In addition, since the inductance is large in the q-axis direction, it is possible to reduce the field current, and an improvement in efficiency can be expected.
ロータが回転しない、つまり角速度ωが０の場合のモデルは、式（８）により与えられる。 The model when the rotor does not rotate, ie the angular velocity ω is 0, is given by equation (8).
抵抗値ｒが無視できると仮定し（ｒ≒０）、２つの巻線間の結合度がｋの場合、式（９）が成立する。ｄ軸、q軸間は非干渉の関係となることがわかる。 Assuming that the resistance value r is negligible (r≈0) and the degree of coupling between the two windings is k, equation (9) holds. It can be seen that there is no interference between the d-axis and the q-axis.
ここで、第一インバータ側界磁電流Ｉｄ１、第二インバータ側界磁電流Ｉｄ２は、以下の式（１０）により規定される。 Here, the first inverter side field current I d1 and the second inverter side field current I d2 are defined by the following equation (10).
以上より、ｄ軸方向での伝送電力Ｐｄ１は、以下の式（１１）、（１２）により求められる。 From the above, the transmission power Pd1 in the d-axis direction is obtained by the following equations (11) and (12).
尚、式（１１）において、Ｍｄ＝ｋＬｄ、ｌｄ＝（１－ｋ）Ｌｄ、Ｌｄ＝ｌｄ＋Ｍｄ、式（１２）において、Ｉｄｅ＝Ｉｄｅ１＋Ｉｄｅ２、である。 Note that M d =kL d , l d =(1−k)L d , L d =l d +M d in equation (11), and I de =I de1 +I de2 in equation (12).
すなわち、交番磁界は、回転磁界の場合と同じく励磁電流Ｉｄｐ、Ｉｄｅの積で充電電力を制御することができる。また、ｄ軸系とｑ軸系は干渉しないのでｄ軸、ｑ軸各軸のみで制御することも可能であるし、両軸同時に電力を伝送することも可能である。 That is, the alternating magnetic field can control the charging power by the product of the excitation currents I dp and I de as in the case of the rotating magnetic field. In addition, since the d-axis system and the q-axis system do not interfere with each other, it is possible to perform control using only the d-axis and the q-axis, and it is also possible to transmit power simultaneously on both axes.
ｄ軸のみで電力伝送を行う場合はトルクが発生しないため、充電時の騒音の発生を抑制できる。通常、ｄ軸は磁気抵抗の大きい磁石を磁路に含み、Ｌｄ＜Ｌｑであるため、ｑ軸で電力伝送を行うと少ない励磁電流で励磁できるため効率向上が期待できる。騒音の抑制が必要な場合はｄ軸、効率が優先される場合はｑ軸で電力伝送を行い、大電電力での電力伝送が必要な場合はｄ軸、ｑ軸ともに電力伝送を行う等の使い分けが可能である。 Since torque is not generated when electric power is transmitted only on the d-axis, generation of noise during charging can be suppressed. Normally, the d-axis includes a magnet with a large magnetic resistance in the magnetic path, and since L d <L q , power transmission on the q-axis can be excited with a small excitation current, and an improvement in efficiency can be expected. Power is transmitted on the d-axis when noise suppression is required, and on the q-axis when efficiency is prioritized. It is possible to use them properly.
上記したように第一及び第二インバータの伝送電力は、回転磁界の場合、式（７）により、交番磁界の場合、式（１２）により与えられる。これらの式からわかるように、電流が制御できれば伝送電力を制御することができる。しかし電流を制御するには、電流を検出する電流センサ等の他の部品が必要となり、構造の複雑化、コストの増加を招く懸念がある。 As noted above, the transmitted power of the first and second inverters is given by equation (7) for rotating magnetic fields and by equation (12) for alternating magnetic fields. As can be seen from these equations, if the current can be controlled, the transmitted power can be controlled. However, in order to control the current, other parts such as a current sensor for detecting the current are required, which may lead to complication of the structure and increase in cost.
各インバータの平均電圧は励磁電圧のスカラー倍となる。平均電圧が励磁電圧のスカラー倍になるというのは、励磁電圧ベクトルと平均電圧ベクトルの向きが同じで大きさが違うということを意味する。平均電圧は給電側および充電側の電圧ベクトルの間の位相になるので、励磁電圧も給電側および充電側の電圧ベクトルの間の位相になる。したがって、電流を制御する代わりに電圧ベクトルの指令値を制御することができる。 The average voltage of each inverter is a scalar multiple of the excitation voltage. The fact that the average voltage is a scalar multiple of the excitation voltage means that the excitation voltage vector and the average voltage vector have the same direction but different magnitudes. Since the average voltage will be in phase between the voltage vectors of the feed and charge sides, the excitation voltage will also be in phase between the voltage vectors of the feed and charge sides. Therefore, it is possible to control the command value of the voltage vector instead of controlling the current.
すなわち、外部電源による外部充電時及び外部給電時において、電流制御、特に回転磁界、交番磁界といった磁界生成による電流制御のみならず、電圧出力による制御（電圧ベクトル制御）によっても電力伝送が可能である。 That is, during external charging and external power supply by an external power supply, power transmission is possible not only by current control, especially current control by generating magnetic fields such as rotating magnetic fields and alternating magnetic fields, but also by control by voltage output (voltage vector control). .
次に、モータ４０の巻線（コイル）の種々の配置パターンについて説明する。図８の（Ａ）は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの巻線が、スロット間に挿入された状態を示している。図８の（Ａ）の配置パターンは、誘起電圧の高調波抑制等の観点から、直列接続された同一相に属する巻線Ａ、Ｂが複数のスロットに分布する構成をとっている。また、図８の（Ｂ）に示す配置パターンの様に、偶数極対数の場合、それぞれ同一個数の直列接続された複数の巻線を含む、２直列の巻線群の構成とし、それを並列に接続することもできる。
Next, various arrangement patterns of the windings (coils) of the
モータの巻線は、例えば６０°の分布巻きの構成をとることができるが、この巻線の配置に限らず、第一コイル群と第二コイル群のインピーダンスと誘起電圧が等しくなるように接続されたモータ巻線であればよい。 The windings of the motor can have, for example, a 60° distributed winding configuration, but the arrangement of the windings is not limited to this. any motor windings that are
以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。 As described above, the mode for carrying out the present invention has been described using the embodiments, but the present invention is not limited to such embodiments at all, and various modifications and replacements can be made without departing from the scope of the present invention. can be added.
また、本明細書には少なくとも以下の事項が記載されている。なお、括弧内には、上記した実施形態において対応する構成要素等を示しているが、これに限定されるものではない。 In addition, at least the following matters are described in this specification. In addition, although the parenthesis shows the components corresponding to the above-described embodiment, the present invention is not limited to this.
（１） 第一コイル群（第一コイル群４１）と、前記第一コイル群と磁気結合しているとともに電気的に絶縁された第二コイル群（第二コイル群４２）と、を含むモータ（モータ４０）と、
バッテリ（バッテリ３）と、
入力側が前記バッテリと接続され、出力側が前記第一コイル群と接続された第一インバータ（第一インバータ１０）と、
入力側が前記第一インバータと並列に前記バッテリと接続され、出力側が前記第二コイル群と接続された第二インバータ（第二インバータ２０）と、を備える電力変換装置（電力変換装置１）であって、
前記第二インバータは、開閉器（開閉器５）を介して前記バッテリ及び前記第一インバータと接続され、
前記開閉器と前記第二インバータとの間には、外部電源と接続可能な外部電源接続部（外部電源接続部８（８ａ、８ｂ））が設けられている、電力変換装置。
(1) A motor including a first coil group (first coil group 41) and a second coil group (second coil group 42) that is magnetically coupled to and electrically insulated from the first coil group (motor 40);
a battery (battery 3);
a first inverter (first inverter 10) having an input side connected to the battery and an output side connected to the first coil group;
A power conversion device (power conversion device 1) comprising a second inverter (second inverter 20) having an input side connected to the battery in parallel with the first inverter, and an output side connected to the second coil group. hand,
The second inverter is connected to the battery and the first inverter via a switch (switch 5),
A power conversion device, wherein an external power source connecting portion (external power source connecting portions 8 (8a, 8b)) connectable to an external power source is provided between the switch and the second inverter.
（１）によれば、外部電源とバッテリの絶縁状態を維持しつつ、外部電源によりバッテリを充電することが可能となる。これにより、外部電源の電圧異常の様な不測の状態が生じても、バッテリを保護することができる。 According to (1), the battery can be charged by the external power supply while maintaining the insulation between the external power supply and the battery. As a result, the battery can be protected even in the event of an unexpected condition such as an abnormal voltage of the external power supply.
（２） （１）に記載の電力変換装置であって、
前記開閉器に対し、入力側が前記外部電源接続部を介して前記第二インバータと並列に接続される第三インバータ（第三インバータ３０）と、
前記第三インバータの出力側に設けられ、前記外部電源へ接続される外部接続端子（３６）と、をさらに備える、電力変換装置。
(2) The power converter according to (1),
a third inverter (third inverter 30) whose input side is connected in parallel with the second inverter via the external power supply connection portion for the switch;
and an external connection terminal (36) provided on the output side of the third inverter and connected to the external power supply.
（２）によれば、充電時にＰＦＣ回路として機能する第三インバータを、駆動回路を構成する第一インバータ、第二インバータと共通の部品により構成することができる。よって、充電回路と駆動回路の部品の共通化を図ることができ、コストダウンを図ることができる。 According to (2), the third inverter, which functions as a PFC circuit during charging, can be composed of components common to the first and second inverters that constitute the drive circuit. Therefore, the components of the charging circuit and the driving circuit can be shared, and the cost can be reduced.
（３） （２）に記載の電力変換装置であって、
前記第一インバータと、前記第二インバータと、前記第三インバータと、前記開閉器と、を制御可能な制御部（制御部７）を更に備え、
前記制御部は、
前記モータの駆動時には前記開閉器を導通状態とし、前記第一インバータと前記第二インバータを並列動作させ、
前記外部電源との接続時には前記開閉器を絶縁状態とし、前記外部電源と前記バッテリが絶縁された状態で、前記第一コイル群と、前記第二コイル群と、前記第一インバータと、前記第二インバータと、を用いて昇圧または降圧を行い、
さらに前記第三インバータを用いて、前記外部電源から前記バッテリへの充電および前記バッテリから前記外部電源への給電を制御可能である、電力変換装置。
(3) The power converter according to (2),
Further comprising a control unit (control unit 7) capable of controlling the first inverter, the second inverter, the third inverter, and the switch,
The control unit
When the motor is driven, the switch is in a conductive state, and the first inverter and the second inverter are operated in parallel,
The switch is insulated when connected to the external power supply, and the first coil group, the second coil group, the first inverter, and the second coil group are insulated from the external power supply and the battery. step-up or step-down using two inverters,
Furthermore, the power conversion device is capable of controlling charging from the external power source to the battery and power supply from the battery to the external power source using the third inverter.
（３）によれば、第一インバータと第二インバータを用いて昇圧動作および降圧動作が可能であり、回路の仕様による電力利用の機会を逃すことを減らすことができる。 According to (3), the step-up operation and step-down operation are possible using the first inverter and the second inverter, and missed opportunities for power utilization due to circuit specifications can be reduced.
（４） （１）から（３）のいずれかに記載の電力変換装置であって、
前記第一インバータと並列に接続される第一キャパシタ（第一キャパシタＣ１）と、前記第二インバータと並列に接続される第二キャパシタ（第二キャパシタＣ２）と、をさらに備え、
前記第二キャパシタの容量は、前記第一キャパシタの容量より大きい、電力変換装置。
(4) The power converter according to any one of (1) to (3),
further comprising a first capacitor (first capacitor C1) connected in parallel with the first inverter, and a second capacitor (second capacitor C2) connected in parallel with the second inverter,
The power conversion device, wherein the capacity of the second capacitor is larger than the capacity of the first capacitor.
（４）によれば、電圧が変動し得る第二キャパシタ部分の容量を大きくとることにより、電圧をより安定させてエネルギー損失を抑制し、効率を向上することができる。 According to (4), by increasing the capacity of the second capacitor portion in which the voltage can fluctuate, the voltage can be stabilized more, the energy loss can be suppressed, and the efficiency can be improved.
（５） （２）に記載の電力変換装置であって、
前記第一インバータと、前記第二インバータと、前記第三インバータと、前記開閉器と、を制御可能な制御部（制御部７）をさらに備え、
前記外部接続端子は、直流用外部接続端子（直流用外部接続端子３８）を含み、
前記制御部は、直流充電または給電時に前記開閉器を導通状態とし、前記第三インバータを制御可能である、電力変換装置。
(5) The power converter according to (2),
Further comprising a control unit (control unit 7) capable of controlling the first inverter, the second inverter, the third inverter, and the switch,
The external connection terminals include DC external connection terminals (DC external connection terminals 38),
The power conversion device, wherein the control unit can control the third inverter by setting the switch to a conductive state during DC charging or power supply.
（５）によれば、直流用外部接続端子と開閉器との間に第三インバータが介在しているため、直流外部電源を直流用外部接続端子に接続し、充電を行う際、開閉器がオンであっても、開閉器を流れる電流が短絡耐量（許容電流値）を超える前に、第三インバータのスイッチング回路で電流制御を行うことができる。 According to (5), since the third inverter is interposed between the DC external connection terminal and the switch, when the DC external power supply is connected to the DC external connection terminal for charging, the switch is Even when the switch is on, current control can be performed by the switching circuit of the third inverter before the current flowing through the switch exceeds the short-circuit resistance (allowable current value).
（６） （１）から（５）のいずれかに記載の電力変換装置であって、
少なくとも前記第一インバータと、前記第二インバータと、を制御可能な制御部（制御部７）を更に備え、
前記モータは複数の相を備え、
前記制御部は、前記外部電源との接続時には前記モータの内部で交番磁界を生成し、前記第一インバータと前記第二インバータとの間で電力伝送を行うように制御可能である、電力変換装置。
(6) The power converter according to any one of (1) to (5),
further comprising a control unit (control unit 7) capable of controlling at least the first inverter and the second inverter,
the motor comprises a plurality of phases,
The power conversion device, wherein the control unit is capable of controlling to generate an alternating magnetic field inside the motor when connected to the external power source and perform power transmission between the first inverter and the second inverter. .
（６）によれば、交番磁界で充電をすることにより、モータの振動や騒音を抑制することができる。 According to (6), the vibration and noise of the motor can be suppressed by charging with the alternating magnetic field.
１ 電力変換装置
３ バッテリ
５ 開閉器
７ 制御部
１０ 第一インバータ
１５ 第一インバータの入力側端子対
２０ 第二インバータ
２５ 第二インバータの入力側端子対
３０ 第三インバータ
３６ 外部接続端子
３７ 交流用外部接続端子
３８ 直流用外部接続端子
４０ モータ
４１ 第一コイル群
４２ 第二コイル群
Ｃ１ 第一キャパシタ
Ｃ２ 第二キャパシタ
1
Claims (6)
バッテリと、
入力側が前記バッテリと接続され、出力側が前記第一コイル群と接続された第一インバータと、
入力側が前記第一インバータと並列に前記バッテリと接続され、出力側が前記第二コイル群と接続された第二インバータと、を備える電力変換装置であって、
前記第二インバータは、開閉器を介して前記バッテリ及び前記第一インバータと接続され、
前記開閉器と前記第二インバータとの間には、外部電源と接続可能な外部電源接続部が設けられている、電力変換装置。 a motor including a first coil group and a second coil group magnetically coupled to and electrically insulated from the first coil group;
a battery;
a first inverter having an input side connected to the battery and an output side connected to the first coil group;
a second inverter whose input side is connected to the battery in parallel with the first inverter, and whose output side is connected to the second coil group,
The second inverter is connected to the battery and the first inverter via a switch,
A power conversion device, wherein an external power supply connection section connectable to an external power supply is provided between the switch and the second inverter.
前記開閉器に対し、入力側が前記外部電源接続部を介して前記第二インバータと並列に接続される第三インバータと、
前記第三インバータの出力側に設けられ、前記外部電源へ接続される外部接続端子と、をさらに備える、電力変換装置。 The power converter according to claim 1,
a third inverter whose input side is connected in parallel with the second inverter via the external power supply connection portion with respect to the switch;
and an external connection terminal provided on the output side of the third inverter and connected to the external power supply.
前記第一インバータと、前記第二インバータと、前記第三インバータと、前記開閉器と、を制御可能な制御部を更に備え、
前記制御部は、
前記モータの駆動時には前記開閉器を導通状態とし、前記第一インバータと前記第二インバータを並列動作させ、
前記外部電源との接続時には前記開閉器を絶縁状態とし、前記外部電源と前記バッテリが絶縁された状態で、前記第一コイル群と、前記第二コイル群と、前記第一インバータと、前記第二インバータと、を用いて昇圧または降圧を行い、
さらに前記第三インバータを用いて、前記外部電源から前記バッテリへの充電および前記バッテリから前記外部電源への給電を制御可能である、電力変換装置。 The power converter according to claim 2,
further comprising a control unit capable of controlling the first inverter, the second inverter, the third inverter, and the switch,
The control unit
When the motor is driven, the switch is in a conductive state, and the first inverter and the second inverter are operated in parallel,
The switch is insulated when connected to the external power supply, and the first coil group, the second coil group, the first inverter, and the second coil group are insulated from the external power supply and the battery. step-up or step-down using two inverters,
Furthermore, the power conversion device is capable of controlling charging from the external power source to the battery and power supply from the battery to the external power source using the third inverter.
前記第一インバータと並列に接続される第一キャパシタと、前記第二インバータと並列に接続される第二キャパシタと、をさらに備え、
前記第二キャパシタの容量は、前記第一キャパシタの容量より大きい、電力変換装置。 The power converter according to any one of claims 1 to 3,
further comprising a first capacitor connected in parallel with the first inverter and a second capacitor connected in parallel with the second inverter;
The power conversion device, wherein the capacity of the second capacitor is larger than the capacity of the first capacitor.
前記第一インバータと、前記第二インバータと、前記第三インバータと、前記開閉器と、を制御可能な制御部をさらに備え、
前記外部接続端子は、直流用外部接続端子を含み、
前記制御部は、直流充電または給電時に前記開閉器を導通状態とし、前記第三インバータを制御可能である、電力変換装置。 The power converter according to claim 2,
further comprising a control unit capable of controlling the first inverter, the second inverter, the third inverter, and the switch,
The external connection terminal includes a DC external connection terminal,
The power conversion device, wherein the control unit can control the third inverter by setting the switch to a conductive state during DC charging or power supply.
少なくとも前記第一インバータと、前記第二インバータと、を制御可能な制御部を更に備え、
前記モータは複数の相を備え、
前記制御部は、前記外部電源との接続時には前記モータの内部で交番磁界を生成し、前記第一インバータと前記第二インバータとの間で電力伝送を行うように制御可能である、電力変換装置。 The power converter according to any one of claims 1 to 5,
further comprising a control unit capable of controlling at least the first inverter and the second inverter,
the motor comprises a plurality of phases,
The power conversion device, wherein the control unit is capable of controlling to generate an alternating magnetic field inside the motor when connected to the external power source and perform power transmission between the first inverter and the second inverter. .
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Patent Citations (4)
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| JP2013132197A (en) * | 2011-11-24 | 2013-07-04 | Nissan Motor Co Ltd | Electric power conversion system and charging system |
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