JP2017017765A - モータ駆動装置における充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置に使用される回路の共有化を図り、モータハウジング内にインバータ及び充電装置の機能部分を内蔵させることにより装置全体の小型化を図るとともに、インバータの長寿命化を実現する車載用に小型化でき低コストのモータ駆動装置における充電装置を提供する。
【解決手段】交流電源３０から蓄電装置４００を充電する場合には、制御装置は、交流電源の電力が、ＡＣ／ＤＣコンバータ１００の交流入出力端子１１１ａ、ｂ、直流整流部１２０、直流出力端子１２１ａ、モータインバータ２００の直流入力端子２０１ａ、モータ１０のコイル１１、１２、１３、モータインバータ２００の直流入出力端子２０２ａ、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００の第１の直流入出力端子３０１ａ、第２の直流入出力端子３０２ａを介して蓄電装置に供給されるように双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ及びモータインバータを制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータ駆動装置における充電装置に関し、特に、充電装置のための部品の点数を減らし小型化を図ることができるモータ駆動装置における充電装置に関する。

電気自動車、ハイブリッド車などにでは、バッテリ（蓄電池）から電力が、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ、モータインバータを介して走行用モータに供給される。バッテリの電圧とモータに供給される電圧が異なる場合には、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータで昇圧若しくは降圧が行われる。一方で、交流電源を用いてバッテリを充電する必要がある。この場合も、交流電源の電圧とバッテリの電圧が異なる場合には、交流電源と、バッテリの間に、整流部としてのＡＣ／ＤＣコンバータ、昇圧若しくは降圧のためのＤＣ-ＤＣコンバータを設ける必要がある。

下記特許文献１には、電気自動車に関し、モータを駆動するインバータの３相ブリッジ回路を用いて車載バッテリに蓄積された直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力をモータに供給して車両を走行させるとともに、外部の交流電源から交流電力を、磁気的に結合した一次コイル、二次コイルを備えた昇圧または降圧回路を介して変圧してから、３相ブリッジ回路に送出し、この３相ブリッジ回路で直流に整流した上で車載バッテリに供給して車載バッテリを充電するという発明が記載されている。

特開２０１４−１７６１６４号公報

しかしながら、従来の電動車両等に搭載される充電装置は、交流電源と、バッテリの間に、整流部としてのＡＣ／ＤＣコンバータ、昇圧若しくは降圧のためのＤＣ-ＤＣコンバータを設ける必要があったり、交流電源の電圧を車載バッテリの電圧に昇圧若しく降圧するためのコイル、昇圧または降圧回路を別途備える必要があった。

このため充電装置としての機能部分における部品点数が増大するとともにそのための設置スペースが大きくなり、車載用に小型化して低コストを図ることが困難であった。

そこで、本発明は、車載用に小型化でき低コストのモータ駆動装置における充電装置を市場に提供することを第１の解決課題とする。

また、従来のモータは、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータとモータインバータで構成されるインバータで駆動されているが、従来のインバータは、モータのハウジングとは別置きに設置されていた。このためモータとインバータとを接続するケーブルが長くなり、インダクタンス成分が大きくなっていた。これにより、大電力を制御するスイッチング素子としてのＩＧＢＴをオン／オフさせるとサージが発生するため、そのサージをコンデンサと抵抗等で除去する必要があった。サージが大きいため、コンデンサは電解コンデンサを使用しているが、この電解コンデンサは、１０年程度の寿命しかなくインバータとしては低寿命であった。さらに、充電装置はインバータとは別置きであり、回路の共有化ができなかったり、充電時に発生するノイズなどの影響により、装置全体としての小型化が困難であった。
そこで、本発明は、装置に使用される回路の共有化を図り、モータハウジング内にインバータおよび充電装置の機能部分を内蔵させることにより装置全体の小型化を図るとともに、モータ駆動装置に用いられるインバータの長寿命化を実現することを第２の解決課題とする。

そのために、第１発明は、ＡＣ／ＤＣコンバータと、モータインバータと、コイルを備えたモータと、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータと、蓄電装置と、制御装置とを含むモータ駆動装置における充電装置であって、
前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、交流電源に電気的に接続される交流入出力端子と、前記交流入出力端子に電気的に接続される直流整流部と、前記直流整流部により整流された直流電流が出力される直流出力端子とを備え、
前記モータインバータは、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの直流出力端子に電気的に接続される直流入力端子と、前記双方向ＤＣ-ＤＣコンバータの第１の直流入出力端子に電気的に接続される直流入出力端子と、前記モータに電気的に接続される交流入出力端子とを備え、
前記双方向ＤＣ-ＤＣコンバータは、前記モータインバータの直流入出力端子に電気的に接続される第１の直流入出力端子と、前記蓄電装置に電気的に接続される第２の直流入出力端子とを備え、
前記蓄電装置の電力で前記モータを駆動させる場合には、
前記制御装置は、前記蓄電装置に蓄電された電力が、前記双方向ＤＣ-ＤＣコンバータの前記第２の直流入出力端子から前記第１の直流入出力端子、前記モータインバータの前記直流入出力端子、前記交流入出力端子を介して前記モータに供給されるように前記双方向ＤＣ-ＤＣコンバータおよび前記モータインバータを制御し、
前記交流電源から供給される電力によって前記蓄電装置を充電させる場合には、
前記制御装置は、前記交流電源から供給される電力が、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの前記交流入出力端子、前記直流整流部、前記直流出力端子、前記モータインバータの前記直流入力端子、前記モータのコイル、前記モータインバータの前記直流入出力端子、前記双方向ＤＣ-ＤＣコンバータの前記第１の直流入出力端子、前記第２の直流入出力端子を介して前記蓄電装置に供給されるように前記双方向ＤＣ-ＤＣコンバータおよび前記モータインバータを制御すること
を特徴とする。

第２発明は、第１発明において、前記双方向ＤＣ-ＤＣコンバータおよび前記モータインバータは、ＦＥＴで構成されるスイッチング素子を備え、当該スイッチング素子に前記制御装置から出力されるスイッチング信号が入力されること
を特徴とする。

第３発明は、第１発明または第２発明において、前記双方向ＤＣ-ＤＣコンバータおよび前記モータインバータが、前記モータのハウジング内に設けられること
を特徴とする

第４発明は、第１発明乃至第３発明のいずれかにおいて、前記モータの回生により発生する電力によって前記蓄電装置を充電させる場合には、
前記制御装置は、前記モータの回生により発生する電力が、前記モータインバータの前記交流入出力端子、前記直流入出力端子、前記双方向ＤＣ-ＤＣコンバータの前記第１の直流入出力端子、前記第２の直流入出力端子を介して前記蓄電装置に供給されるように前記双方向ＤＣ-ＤＣコンバータおよび前記モータインバータを制御すること
を特徴とする。

交流電源を用いて蓄電装置（バッテリ）を充電するに際して、交流電源の電圧と蓄電装置の電圧が異なる場合には、昇圧若しくは降圧するためのコイル、昇圧回路を備えた充電装置が必要になる。本発明によれば、蓄電装置に蓄電された電力を昇圧若しくは降圧した上で交流電力に変換してモータに供給してモータを力走作動（電動機作用）させるために設けられている既存の双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ、モータインバータ、モータのコイルが、充電装置の昇圧若しくは降圧の機能を兼用する。このため専用の充電装置を別途に設ける必要がなく、充電装置としての機能部分における部品点数が減少するとともにそのための設置スペースを小さくでき、車載用に小型化、低コストを図ることが容易となる。これにより、車載用に小型、低コストのモータ駆動装置における充電装置を市場に提供することが可能となる。

第２発明によれば、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータおよびモータインバータのスイッチング素子を、ＦＥＴで構成したので、整流ダイオードがなくロスが少ない。また高周波数でスイッチングすることにより高効率化が可能となる。また部品点数の削減、低発熱が実現され小型化が可能となる。

第３発明によれば、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータおよびモータインバータが、モータのハウジング内に設けられるため、車載のための設置スペースを小さくすることができる。すなわち、装置に使用される回路の共有化を図り、モータハウジング内にインバータおよび充電装置の機能部分を内蔵させることにより装置全体の小型化が実現される。さらにモータとモータインバータとを接続するケーブルを極力短くすることが可能となり、インダクタンス成分を低く抑えることができる。これにより、サージ対策のための電解コンデンサをフィルムコンデンサに置換することが可能となる。フィルムコンデンサは電解コンデンサに比して長寿命であるため、モータ駆動装置に用いられるインバータの長寿命化を図ることが可能となる。

第４発明によれば、モータの回生により発生する電力で、蓄電装置を充電することができる。

図１は、実施例のモータ駆動装置における充電装置の全体構成をブロック図である。 図２は、モータ駆動装置の回路構成例を示す図である。 図３は、充電時におけるＡＣ／ＤＣコンバータの直流整流部で行われる動作を説明する図である。 図４（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、ＡＣ／ＤＣコンバータの交流入出力端子間の交流電圧波形、直流出力端子間の直流電圧波形を示すグラフである。 図５は、充電時におけるモータインバータの３相ブリッジ回路で行われる動作を説明する図である。 図６（ａ）、（ｂ）は、充電時における双方向ＤＣ-ＤＣコンバータで行われる動作を説明する図である。 図７は、力走時におけるモータインバータの３相ブリッジ回路で行われる動作を説明する図である。 図８は、力走時においてモータインバータの各半導体スイッチング素子のゲートに印加されるスイッチング信号と、モータの回転角度との関係を示す制御マップ図である。 図９は、回生時におけるモータインバータの３相ブリッジ回路で行われる動作を説明する図である。 図１０は、回生時においてモータインバータの各半導体スイッチング素子のゲートに印加されるスイッチング信号と、モータの回転角度との関係を示す制御マップ図である。

以下、本発明に係るモータ駆動装置における充電装置の実施の形態について説明する。

図１は、実施例のモータ駆動装置における充電装置の全体構成をブロック図にて示している。

同図１に示すように、実施例のモータ駆動装置１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１００と、モータインバータ２００と、モータ１０と、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００と、蓄電装置４００と、制御装置５００とで構成されている。モータインバータ２００と、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００とでインバータ２０を構成している。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１００には、外部より交流電源３０が電気的に接続される。交流電源３０は、たとえば１００Ｖ〜２００Ｖの商用電源である。モータ１０は、たとえば３相の交流モータであり、３つのコイルを有し互いに結線されている。モータ駆動装置１は、たとえば電気自動車に搭載される。

蓄電装置４００は、たとえばリチウムイオン電池である。なお、本発明の蓄電装置４００は、充放電可能で所定容量の電力を蓄電できるものであればよく、ニッケル水素、鉛蓄電池などの電池のみならずリチウムイオンキャパシタなどのキャパシタ（コンデンサ）を含む概念である。蓄電装置４００の端子間電圧は、たとえば３００Ｖである。

少なくとも双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００およびモータインバータ２００で構成されるインバータ２０は、モータの１０のハウジング１９内に設けられている。なお、ＡＣ／ＤＣコンバータ１００、制御装置５００についてもモータの１０ハウジング１９内に設けるようにしてもよい。

制御装置５００は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１００、モータインバータ２００、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００に対して制御信号を出力して、ＡＣ／ＤＣコンバータ１００、モータインバータ２００、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００を制御する。

図２は、モータ駆動装置１の回路構成例を示す図である。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１００は、フィルタ部１１０と、直流整流部１２０とから構成されている。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１００は、交流電源３０に電気的に接続される交流入出力端子１１１ａ、１１１ｂと、交流入出力端子１１１ａ、１１１ｂに電気的に接続される直流整流部１２０と、直流整流部１２０により整流された直流電流が出力される直流出力端子１２１ａ、１２１ｂとを備えている。

フィルタ部１１０は、交流電流を平滑化して、直流整流部１２０に交流電力を供給するフィルタであって、交流入出力端子１１１ａ、１１１ｂ間に電気的に接続されるフィルタ用コンデンサ１１２と、フィルタ用コンデンサ１１２の両端端子１１２ａ、１１２ｂに電気的に接続されるチョークコイル１１３とを備え、チョークコイル１１３の各端部１１３ａ、１１３ｂに直流整流部１２０の交流入出力端子１２２ａ、１２２ｂが電気的に接続されている。

直流整流部１２０は、交流入出力端子１２２ａ、１２２ｂより入出力される交流電流を、直流電流に整流して、整流された直流電流を直流出力端子１２１ａ、１２１ｂ（プラス側端子１２１ａ）から出力させる整流部であって、ブリッジ回路１２３で全波整流回路が構成されている。直流整流部１２０のブリッジ回路１２３は、ＦＥＴで構成された４つの半導体スイッチング素子Ｑ１（上左アーム）、Ｑ２（左下アーム）、Ｑ３（右上アーム）、Ｑ４（右下アーム）を備えている。

半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４は、制御装置５００から出力される制御信号としてのオン／オフのスイッチング信号が各ゲートに印加されることによって駆動制御されて、各バルブが開閉動作して、電気的に当該バルブが導通、遮断する。

モータインバータ２００は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１００の直流出力端子１２１ａ、１２１ｂ（プラス側端子１２１ａ）に電気的に接続される直流入力端子２０１ａ、２０１ｂ（プラス側端子２０１ａ）と、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００の第１の直流入出力端子３０１ａ、３０１ｂ（プラス側端子３０１ａ）に電気的に接続される直流入出力端子２０２ａ、２０２ｂ（プラス側端子２０２ａ）と、モータ１０の各コイル１１、１２、１３（ｕ相、ｖ相、ｗ相）に電気的に接続される交流入出力端子２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃとを備えている。

モータインバータ２００は、３相ブリッジ回路２１０で構成されている。モータインバータ２００の３相ブリッジ回路２１０は、ＦＥＴで構成された６つの半導体スイッチング素子Ｑ５（上左アーム）、Ｑ６（左下アーム）、Ｑ７（中上アーム）、Ｑ８（中下アーム）、Ｑ９（右上アーム）、Ｑ１０（右下アーム）を備えている。

半導体スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６、Ｑ７、Ｑ８、Ｑ９、Ｑ１０は、制御装置５００から出力される制御信号としてのオン／オフのスイッチング信号が各ゲートに印加されることによって駆動制御されて、各バルブが開閉動作して、電気的に当該バルブが導通、遮断する。

双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００は、たとえば、トランスを介して相互に電力を供給可能なものとして構成される。また双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００は、蓄電装置４００と交流電源３０とを絶縁するために設けられている。

双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００は、第１の巻線３１１と第２の巻線３１２を備えたトランス３１０と、DC/ACコンバータ３２０と、AC/DCコンバータ３３０とを備えている。

双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００は、モータインバータ２００の直流入出力端子２０２ａ、２０２ｂ（プラス側端子２０２ａ）に電気的に接続される第１の直流入出力端子３０１ａ、３０１ｂ（プラス側端子３０１ａ）と、蓄電装置４００に電気的に接続される第２の直流入出力端子３０２ａ、３０２ｂ（プラス側端子３０２ａ）とを備えている。

蓄電装置４００の両端端子４０１ａ、４０１ｂ（プラス側端子４０１ａ）はそれぞれ、第２の直流入出力端子３０２ａ、３０２ｂ（プラス側端子３０２ａ）を介して、DC/AC コンバータ３２０の直流端子３２１ａ、３２１ｂ（プラス側端子３２１ａ）に電気的に接続されている。直流端子３２１ａ、３２１ｂ間には平滑用コンデンサ３２５が電気的に接続されている。

DC/ACコンバータ３２０の交流入出力端子３２２ａ、３２２ｂはそれぞれ、第１の巻線３１１の両端に電気的に接続されている。

DC/ACコンバータ３２０は、ブリッジ回路３２３で構成されている。DC/AC コンバータ３２０のブリッジ回路３２３は、ＦＥＴで構成された４つの半導体スイッチング素子Ｑ１５（上左アーム）、Ｑ１６（左下アーム）、Ｑ１７（右上アーム）、Ｑ１８（右下アーム）を備えている。

半導体スイッチング素子Ｑ１５、Ｑ１６、Ｑ１７、Ｑ１８は、制御装置５００から出力される制御信号としてのオン／オフのスイッチング信号が各ゲートに印加されることによって駆動制御されて、各バルブが開閉動作して、電気的に当該バルブが導通、遮断する。

第２の巻線３１２の両端はそれぞれ、AC/DC コンバータ３３０の交流端子３３１ａ、３３１ｂに電気的に接続されている。

AC/DC コンバータ３３０の直流端子３３２ａ、３３２ｂ（プラス側端子３３２ａ）はそれぞれ、第１の直流入出力端子３０１ａ、３０１ｂ（プラス側端子３０１ａ）を介して、モータインバータ２００の直流入出力端子２０２ａ、２０２ｂ（プラス側端子２０２ａ）に電気的に接続されている。直流端子３３２ａ、３３２ｂ間には平滑用コンデンサ３３５が電気的に接続されている。

AC/DC コンバータ３３０は、ブリッジ回路３３３で構成されている。AC/DC コンバータ３３０のブリッジ回路３３３は、ＦＥＴで構成された４つの半導体スイッチング素子Ｑ１１（上左アーム）、Ｑ１２（左下アーム）、Ｑ１３（右上アーム）、Ｑ１４（右下アーム）を備えている。

半導体スイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２、Ｑ１３、Ｑ１４は、制御装置５００から出力される制御信号としてのオン／オフのスイッチング信号が各ゲートに印加されることによって駆動制御されて、各バルブが開閉動作して、電気的に当該バルブが導通、遮断する。

したがって、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００の第２の直流入出力端子３０２ａ、３０２ｂ間に蓄電装置４００の直流電圧が印加されると、DC/ACコンバータ３２０で蓄電装置４００の直流電圧が交流電圧に変換され、変換された交流電圧はトランス３１０を介してAC/DC コンバータ３３０に伝送される。第１の巻線３１１と第２の巻線３１２の巻数比に応じて、電圧が昇圧若しくは降圧される。たとえば第１の巻線３１１の巻数ｎ１と第２の巻線３１２の巻数ｎ２との比率ｎ１：ｎ２が２：１であれば、電圧は１／２倍に降圧される。AC/DC コンバータ３３０では、伝送された交流電圧が整流されて直流電圧に変換され、第１の直流入出力端子３０１ａ、３０１ｂ間に印加される。

本実施例では、蓄電装置４００に蓄電された電力を昇圧若しくは降圧した上で交流電力に変換してモータ１０に供給してモータ１０を力走作動（電動機作用）させるために設けられている既存の双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００、モータインバータ２００、モータ１０のコイル１１、１２、１３が、充電装置の昇圧若しくは降圧の機能を兼用する。以下、本実施例のモータ駆動装置１で行われる動作について説明する。

（充電時）
図３は、充電時においてＡＣ／ＤＣコンバータ１００の直流整流部１２０で行われる動作を説明する図である。矢印Ｃ１は、直流整流部１２０で整流されて出力される直流電流（流れる方向）を示している。
図４（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、交流入出力端子１１１ａ、１１１ｂ間の交流電圧波形、直流出力端子１２１ａ、１２１ｂ（プラス側端子１２１ａ）間の直流電圧波形を示す。
交流電源３０が、交流入出力端子１１１ａ、１１１ｂに電気的に接続されると、制御装置５００は、交流入出力端子１１１ａ、１１１ｂ間の交流電圧がプラス側となる期間Ｔ１（図４（ａ））では、半導体スイッチング素子Ｑ１（上左アーム）、Ｑ４（右下アーム）のゲート電圧をオンさせ、半導体スイッチング素子Ｑ２（左下アーム）、Ｑ３（右上アーム）のゲート電圧をオフさせるスイッチング信号を出力する。そして、制御装置５００は、交流入出力端子１１１ａ、１１１ｂ間の交流電圧がマイナス側となる期間Ｔ２（図４（ａ））では、半導体スイッチング素子Ｑ２（左下アーム）、Ｑ３（右上アーム））のゲート電圧をオンさせ、半導体スイッチング素子Ｑ１（上左アーム）、Ｑ４（右下アーム）のゲート電圧をオフさせるスイッチング信号を出力する。以下、交流電圧のプラス、マイナスの切り替りに同期して同様にスイッチング信号が切替えられる。

これにより図４（ｂ）に示すように、ＡＣ／ＤＣコンバータ１００の直流整流部１２０で交流が直流に整流されて、直流出力端子１２１ａから、直流電流（Ｃ１）が出力され、モータインバータ２００側に流れ込む。

なお、充電時以外には、制御装置５００は、半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の各ゲートに印加するスイッチング信号をオフにする。

図５は、充電時においてモータインバータ２００の３相ブリッジ回路２１０で行われる動作を説明する図である。矢印Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ１５は、モータインバータ２００、モータ１０のコイル１１、１２を流れる電流（流れる方向）を示している。

充電時には、蓄電装置４００の電圧（３００Ｖ）に対して、交流電源３０の電圧（１００乃至２００Ｖ）の調整が必要である。電圧の調整のためにはコイルが通常使用されるが大電流に対応すると形状が大きくなってしまう。本実施例では、モータ１０のコイル１１、１２を電圧変換用のコイルとして利用することができる。

交流電源３０が、交流入出力端子１１１ａ、１１１ｂに電気的に接続されると、制御装置５００は、半導体スイッチング素子Ｑ８（中下アーム）のゲート電圧をオンさせ、それ以外の半導体スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６、Ｑ７、Ｑ９、Ｑ１０のゲート電圧をオフさせるスイッチング信号を出力する。これによりＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３で示されるように、ＡＣ／ＤＣコンバータ１００の直流出力端子１２１ａから、直流入力端子２０１ａに流れ込んだ直流電流は、交流入出力端子２０３ａ、モータ１０のコイル１１、コイル１２、交流入出力端子２０３ｂを介して、半導体スイッチング素子Ｑ８（中下アーム）のバルブを導通して流れる。モータ１０のコイル１１、１２を電圧変換用のコイルとして利用することができる。

つぎに、モータ１０のコイル１１、１２に十分な電流が流れたら、制御装置５００は、半導体スイッチング素子Ｑ８（中下アーム）のゲート電圧をオフさせ、半導体スイッチング素子Ｑ７（中上アーム）のゲート電圧をオンさせるスイッチング信号を出力する。これにより電流の向きはＣ１３からＣ１４に切り替り、Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１４、Ｃ１５で示されるように、ＡＣ／ＤＣコンバータ１００の直流出力端子１２１ａから、直流入力端子２０１ａに流れ込んだ直流電流は、交流入出力端子２０３ａ、モータ１０のコイル１１、コイル１２、交流入出力端子２０３ｂを介して、半導体スイッチング素子Ｑ７（中上アーム）のバルブを導通して流れ、直流入出力端子２０２ａから、直流電流（Ｃ１５）として出力され、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００側に流れ込む。この際に、半導体スイッチング素子Ｑ８（中下アーム）のゲート電圧をオンにする時間を適宜変更することにより、モータ１０のコイル１１、１２に蓄積されるエネルギー量が変化し、直流入出力端子２０２ａ、２０２ｂ間の出力電圧を調整することができる。

図６（ａ）、（ｂ）は、充電時において双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００で行われる動作を説明する図である。矢印Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ２３、Ｃ２１´、Ｃ２２´、Ｃ２３´は、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００を流れる電流（流れる方向）を示している。

交流電源３０が、交流入出力端子１１１ａ、１１１ｂに電気的に接続されると、制御装置５００は、以下のスイッチング動作（ａ）、（ｂ）を繰り返し行うことにより蓄電装置４００に充電する動作を行う。

（ａ）半導体スイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１４、Ｑ１５、Ｑ１８のゲート電圧をオンさせ、半導体スイッチング素子Ｑ１２、Ｑ１３、Ｑ１６、Ｑ１７のゲート電圧をオフさせるスイッチング信号を出力する（図６（ａ））。
（ｂ）半導体スイッチング素子Ｑ１２、Ｑ１３、Ｑ１６、Ｑ１７のゲート電圧をオンさせ、半導体スイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１４、Ｑ１５、Ｑ１８のゲート電圧をオフさせるスイッチング信号を出力する（図６（ｂ））。

上記（ａ）のスイッチング動作により、モータインバータ２００の直流入出力端子２０２ａから、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００の第１の直流入出力端子３０１ａに流れ込んだ直流電流は、Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ２３で示されるようにブリッジ回路３３３、トランス３１０、ブリッジ回路３２３を流れる（図６（ａ））。

また、上記（ｂ）のスイッチング動作により、モータインバータ２００の直流入出力端子２０２ａから、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００の第１の直流入出力端子３０１ａに流れ込んだ直流電流は、Ｃ２１´、Ｃ２２´、Ｃ２３´で示されるようにブリッジ回路３３３、トランス３１０、ブリッジ回路３２３を流れる。

これにより双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００の第１の直流入出力端子３０１ａから、ブリッジ回路３３３、トランス３１０、ブリッジ回路３２３、第２の直流入出力端子３０２ａを介して蓄電装置４００のプラス側端子４０１ａに電流が流れ込み、蓄電装置４００に交流電源３０からの電力が供給される。

充電時について説明したがモータ１０の回生時、力走時についても、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００では上記した（ａ）、（ｂ）で示されるスイッチング動作と同様の動作が行われる。

たとえば、交流電源３０の電圧を１００〜２００Vとし、第２の直流入出力端子３０２ａ、３０２ｂ間の電圧（蓄電装置４００の両端子間電圧）を３００Vとすると、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００の第１の直流入出力端子３０１ａ、３０１ｂ間の電圧は、５０〜７００Vの間で変動する。制御装置５００は、第１の直流入出力端子３０１ａ、３０１ｂ間の電圧を、第２の直流入出力端子３０２ａ、３０２ｂ間の電圧（蓄電装置４００の両端子間電圧）の電圧と比較し、充電時（回生時）は、第１の直流入出力端子３０１ａ、３０１ｂ間の電圧を高く、放電時（力走時）は、第１の直流入出力端子３０１ａ、３０１ｂ間の電圧が低くなるように、各半導体スイッチング素子Q１１~Q１８に加えるスイッチング信号の位相、周期を制御する。

（力走時）
力走時には、制御装置５００は、必要されるモータ１０の速度に応じた電力が、蓄電装置４００からモータ１０に供給されるように制御する。

モータ１０の力走時には、制御装置５００は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１００の半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の各ゲートに印加するスイッチング信号をオフにする。これにより充電動作の機能が停止される。

図６で説明したように、力走時には、制御装置５００は、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００の各半導体スイッチング素子Q１１〜Q１８に対して上記（ａ）、（ｂ）で示されるのと同様のスイッチング信号を繰り返し加える。ただし、第１の直流入出力端子３０１ａ、３０１ｂ間の電圧が低くなるように、各半導体スイッチング素子Q１１〜Q１８に加えるスイッチング信号の位相、周期を制御する。これにより図６（ａ）、（ｂ）にてＣ２１〜Ｃ２３、Ｃ２１´〜Ｃ２３´で示される電流の向きとは反対の向きの電流の流れが形成され、蓄電装置４００のプラス側端子４０１ａから電流が放電され、第２の直流入出力端子３０２ａ、ブリッジ回路３２３、トランス３１０、ブリッジ回路３３３を介して、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００の第１の直流入出力端子３０１ａから電流が、モータインバータ２００の直流入出力端子２０２ａに流れ込む。

図７は、力走時においてモータインバータ２００の３相ブリッジ回路２１０で行われる動作を説明する図である。矢印Ｃ３１、Ｃ３２、Ｃ３３は、モータインバータ２００、モータ１０のコイル１１、１２を流れる電流（流れる方向）を示している。

図８は、力走時においてモータインバータ２００の各半導体スイッチング素子Ｑ５~Ｑ１０のゲートに印加されるスイッチング信号と、モータ１０の回転角度との関係を示す制御マップである。なお、図８において「ＰＷＭ」はＰＷＭ制御に応じたスイッチング信号であることを示す。

蓄電装置４００からの放電に伴う電圧が、モータインバータ２００の直流入出力端子２０２ａ、２０２ｂ間にかかり、Ｃ３１で示される電流の流れが形成される。すなわち、制御装置５００は、半導体スイッチング素子Ｑ８（中下アーム）のゲート電圧をオンさせるとともに、半導体スイッチング素子Ｑ５（左上アーム）のゲートに、所望するモータ１０の回転速度に応じたＰＷＭ制御信号をスイッチング信号として出力する。これによりＣ３１、Ｃ３２、Ｃ３３で示されるように、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００の第１の直流入出力端子３０１ａから、直流入出力端子２０２ａに流れ込んだ直流電流は、半導体スイッチング素子Ｑ５（左上アーム）のバルブを導通して、交流入出力端子２０３ａ、モータ１０のコイル１１、コイル１２、交流入出力端子２０３ｂを通過し、さらに半導体スイッチング素子Ｑ８（中下アーム）のバルブを導通して流れる。これによりモータ１０が回転する（図８のモータ回転角度「０〜」参照）。以下、制御装置５００は、図８に示される制御マップに従い、モータ１０の回転角度に応じて、モータインバータ２００の各半導体スイッチング素子Ｑ５~Ｑ１０を制御する。

（回生時）
回生時には、制御装置５００は、モータ１０の回転角度に応じて、モータ１０で発電作用を行わせ、モータ１０から蓄電装置４００に電力が供給されるように制御する。

モータ１０の回生時には、制御装置５００は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１００の半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の各ゲートに印加するスイッチング信号をオフにする。これにより交流電源３０による充電動作の機能が停止される。

図９は、回生時においてモータインバータ２００の３相ブリッジ回路２１０で行われる動作を説明する図である。矢印Ｃ４１、Ｃ４２、Ｃ４３、Ｃ４４、Ｃ４５は、モータインバータ２００、モータ１０のコイル１１、１２を流れる電流（流れる方向）を示している。

図１０は、回生時においてモータインバータ２００の各半導体スイッチング素子Ｑ５〜Ｑ１０のゲートに印加されるスイッチング信号と、モータ１０の回転角度との関係を示す制御マップである。

蓄電装置４００の両端子間電圧に応じた電圧が、モータインバータ２００の直流入出力端子２０２ａ、２０２ｂ間にかかっているため、直流入出力端子２０２ａ、２０２ｂ間でこれ以上の電圧を発生させる。制御装置５００は、半導体スイッチング素子Ｑ８（中下アーム）、Ｑ６（左下アーム）のゲート電圧をオンさせ、半導体スイッチング素子Ｑ５（左上アーム）のゲート電圧をオフさせるスイッチング信号を出力する。これによりＣ４１、Ｃ４２、Ｃ４３、Ｃ４４で示されるように、半導体スイッチング素子Ｑ８（中下アーム）のバルブを導通して、交流入出力端子２０３ｂ、モータ１０のコイル１２、コイル１１、交流入出力端子２０３ａを通過し、さらに半導体スイッチング素子Ｑ６（左下アーム）のバルブを導通して電流が流れ、モータ１０が発電作用する（図１０のモータ回転角度「０〜」参照）。

モータインバータ２００の直流入出力端子２０２ａ、２０２ｂ間の電圧が必要な電圧以上になると見込めたら、制御装置５００は、半導体スイッチング素子Ｑ８（中下アーム）、Ｑ５（左上アーム）のゲート電圧をオンさせ、半導体スイッチング素Ｑ６（左下アーム）のゲート電圧をオフさせるスイッチング信号を出力する。これによりＣ４１、Ｃ４２、Ｃ４３、Ｃ４５で示されるように、半導体スイッチング素子Ｑ８（中下アーム）のバルブを導通して、交流入出力端子２０３ｂ、モータ１０のコイル１２、コイル１１、交流入出力端子２０３ａを通過し、さらに半導体スイッチング素子Ｑ５（左上アーム）のバルブを導通して電流が流れ、モータ１０の発電作用に応じた電力が、モータインバータ２００の直流入出力端子２０２ａから双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００側に供給される（図１０のモータ回転角度「０〜」参照）。

以下、制御装置５００は、図１０に示される制御マップに従い、モータ１０の回転角度に応じて、モータインバータ２００の各半導体スイッチング素子Ｑ５〜Ｑ１０を制御する。

図６で説明したように、回生時には、制御装置５００は、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００の各半導体スイッチング素子Q１１〜Q１８に対して上記（ａ）、（ｂ）で示されるのと同様のスイッチング信号を繰り返し加える。ただし、第１の直流入出力端子３０１ａ、３０１ｂ間の電圧が高くなるように、各半導体スイッチング素子Q１１〜Q１８に加えるスイッチング信号の位相、周期を制御する。これにより図６（ａ）、（ｂ）にてＣ２１〜Ｃ２３、Ｃ２１´〜Ｃ２３´で示される電流の向きと同様の電流の流れが形成され、モータインバータ２００の直流入出力端子２０２ａからの電流が、第１の直流入出力端子３０１ａ、ブリッジ回路３３３、トランス３１０、ブリッジ回路３２３、第２の直流入出力端子３０２ａを介して蓄電装置４００のプラス側端子４０１ａに流れ込み、蓄電装置４００がモータ１０の発電作用による電力によって充電される。

以上のように本実施例によれば、交流電源３０から供給される電力によって蓄電装置４００を充電させる場合には、制御装置５００は、交流電源３０から供給される電力が、ＡＣ／ＤＣコンバータ１００の交流入出力端子１１１ａ、１１１ｂ、直流整流部１２０、直流出力端子１２１ａ、モータインバータ２００の直流入力端子２０１ａ、モータ１０のコイル１１、１２、モータインバータ２００の直流入出力端子２０２ａ、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００の第１の直流入出力端子３０１ａ、第２の直流入出力端子３０２ａを介して蓄電装置４００に供給されるように双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００およびモータインバータ２００を制御する（充電時）。

そして、蓄電装置４００の電力でモータ１０を駆動させる場合には、制御装置５００は、蓄電装置４００に蓄電された電力が、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００の第２の直流入出力端子３０２ａから第１の直流入出力端子３０１ａ、モータインバータ２００の直流入出力端子２０２ａ、交流入出力端子２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃを介してモータ１０に供給されるように双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００およびモータインバータ２００を制御する（力走時）。

そして、モータ１０の回生により発生する電力によって蓄電装置４００を充電させる場合には、制御装置５００は、モータ１０の回生により発生する電力が、モータインバータ２００の交流入出力端子２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ、直流入出力端子２０２ａ、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００の第１の直流入出力端子３０１ａ、第２の直流入出力端子３０２ａを介して蓄電装置４００に供給されるように双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００およびモータインバータ２００を制御する。

また、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００およびモータインバータ２００は、ＦＥＴで構成されるスイッチング素子Ｑ５~Q１８を備え、当該スイッチング素子Ｑ５~Q１８に制御装置５００から出力されるスイッチング信号が入力される。

また、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００およびモータインバータ２００からなるインバータ２０は、モータ１０のハウジング１９内に設けられる。

したがって、本実施例によれば、つぎのような効果が得られる。

１）蓄電装置４００に蓄電された電力を昇圧若しくは降圧した上で交流電力に変換してモータ１０に供給してモータ１０を力走作動（電動機作用）させるために設けられている既存の双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００、モータインバータ２００、モータ１０のコイル１１、１２が、充電装置の昇圧若しくは降圧の機能を兼用する。このため専用の充電装置を別途に設ける必要がなく、充電装置としての機能部分における部品点数が減少するとともにそのための設置スペースを小さくでき、車載用に小型化、低コストを図ることが容易となる。これにより、車載用に小型、低コストのモータ駆動装置１における充電装置を市場に提供することが可能となる。
２）双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００およびモータインバータ２００のスイッチング素子Ｑ５〜Q１８を、ＦＥＴで構成したので、整流ダイオードがなくロスが少ない。また高周波数でスイッチングすることにより高効率化が可能となる。また部品点数の削減、低発熱が実現され小型化が可能となる。
３）双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ３００およびモータインバータ２００からなるインバータ２０が、モータ１０のハウジング１９内に設けられるため、車載のための設置スペースを小さくすることができる。すなわち、装置に使用される回路の共有化を図り、モータハウジング１９内にインバータおよび充電装置の機能部分を内蔵させることにより装置全体の小型化が実現される。さらにモータ１０とモータインバータ２００とを接続するケーブルを極力短くすることが可能となり、インダクタンス成分を低く抑えることができる。これにより、サージ対策のための電解コンデンサをフィルムコンデンサに置換することが可能となる。フィルムコンデンサは電解コンデンサに比して長寿命であるため、モータ駆動装置１に用いられるインバータ２０の長寿命化を図ることが可能となる。

１ モータ駆動装置、１０ モータ １１、１２、１３ コイル、１００ ＡＣ／ＤＣコンバータ、２００ モータインバータ、３００ 双方向ＤＣ-ＤＣコンバータ、４００ 蓄電装置、５００ 制御装置

Claims (4)

1. ＡＣ／ＤＣコンバータと、モータインバータと、コイルを備えたモータと、双方向ＤＣ-ＤＣコンバータと、蓄電装置と、制御装置とを含むモータ駆動装置における充電装置であって、
   前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、交流電源に電気的に接続される交流入出力端子と、前記交流入出力端子に電気的に接続される直流整流部と、前記直流整流部により整流された直流電流が出力される直流出力端子とを備え、
   前記モータインバータは、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの直流出力端子に電気的に接続される直流入力端子と、前記双方向ＤＣ-ＤＣコンバータの第１の直流入出力端子に電気的に接続される直流入出力端子と、前記モータに電気的に接続される交流入出力端子とを備え、
   前記双方向ＤＣ-ＤＣコンバータは、前記モータインバータの直流入出力端子に電気的に接続される第１の直流入出力端子と、前記蓄電装置に電気的に接続される第２の直流入出力端子とを備え、
   前記蓄電装置の電力で前記モータを駆動させる場合には、
   前記制御装置は、前記蓄電装置に蓄電された電力が、前記双方向ＤＣ-ＤＣコンバータの前記第２の直流入出力端子から前記第１の直流入出力端子、前記モータインバータの前記直流入出力端子、前記交流入出力端子を介して前記モータに供給されるように前記双方向ＤＣ-ＤＣコンバータおよび前記モータインバータを制御し、
   前記交流電源から供給される電力によって前記蓄電装置を充電させる場合には、
   前記制御装置は、前記交流電源から供給される電力が、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの前記交流入出力端子、前記直流整流部、前記直流出力端子、前記モータインバータの前記直流入力端子、前記モータのコイル、前記モータインバータの前記直流入出力端子、前記双方向ＤＣ-ＤＣコンバータの前記第１の直流入出力端子、前記第２の直流入出力端子を介して前記蓄電装置に供給されるように前記双方向ＤＣ-ＤＣコンバータおよび前記モータインバータを制御すること
   を特徴とするモータ駆動装置における充電装置。
2. 前記双方向ＤＣ-ＤＣコンバータおよび前記モータインバータは、ＦＥＴで構成されるスイッチング素子を備え、当該スイッチング素子に前記制御装置から出力されるスイッチング信号が入力されること
   を特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置における充電装置。
3. 前記双方向ＤＣ-ＤＣコンバータおよび前記モータインバータが、前記モータのハウジング内に設けられること
   を特徴とする請求項１または２に記載のモータ駆動装置における充電装置。
4. 前記モータの回生により発生する電力によって前記蓄電装置を充電させる場合には、
   前記制御装置は、前記モータの回生により発生する電力が、前記モータインバータの前記交流入出力端子、前記直流入出力端子、前記双方向ＤＣ-ＤＣコンバータの前記第１の直流入出力端子、前記第２の直流入出力端子を介して前記蓄電装置に供給されるように前記双方向ＤＣ-ＤＣコンバータおよび前記モータインバータを制御すること
   を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置における充電装置。