JP2017200370A - 電力変換装置及び電力変換装置を制御する制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンデンサ体積を抑制できる電力変換装置及び電力変換装置を制御する制御方法を提供する。
【解決手段】本発明は、インバータ回路と、インバータ回路と蓄電部とを接続する給電母線と、給電母線間に接続されるコンデンサと、給電母線間に接続される放電回路とを備え、放電回路に放電抵抗とスイッチング素子とを含み、インバータ回路の回生動作中に、インバータ回路の出力電力が蓄電部に供給できない状態において、スイッチング素子をオンする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置及び電力変換装置を制御する制御方法に関するものである。

直流電源ライン間に接続されたコンデンサによる平滑出力をスイッチングして交流電動機に与えるためのインバータ主回路と、電源投入時におけるコンデンサへの突入電流を抑制するための突入電流抑制抵抗と、突入電流抑制抵抗と並列に接続されたバイパススイッチと、スイッチング素子及び回生電力放電抵抗を直列に接続して成る回生電力放電回路とを備えたインバータ装置において、バイパススイッチのオン動作に連動してオンする補助スイッチを設けて、この補助スイッチを回生電力放電回路におけるスイッチング素子及び回生電力放電抵抗の直列回路中に挿入するインバータ制御装置が開示されている。このインバータ制御装置は、コンデンサの端子電圧が交流電動機で発生した回生電力により上限レベルを超えた場合に、コンデンサに蓄積された電荷を回生電力放電抵抗で放電する（特許文献１）。

特開平６−２４５４８５号公報

しかしながら、従来技術では、インバータ回路の回生動作中に、何らかの原因でバイパススイッチがオフになった場合には、補助スイッチもバイパススイッチの動作に連動してオフになり、コンデンサの電荷を回生電力放電抵抗で放電できない状態になる。このような状態で過電圧を防ぐには、コンデンサの容量を予め大きくする必要があるため、コンデンサの体積が大きくなるという問題があった。

本発明は、コンデンサ体積を抑制できる電力変換装置及び電力変換装置を制御する制御方法を提供することである。

本発明は、インバータ回路と、インバータ回路と蓄電部とを接続する給電母線と、給電母線間に接続されるコンデンサと、給電母線間に接続される放電回路とを備え、放電回路に放電抵抗とスイッチング素子とを含み、インバータ回路の回生動作中に、インバータ回路の出力電力が蓄電部に供給できない状態において、スイッチング素子をオンすることで上記課題を解決する。

本発明は、コンデンサ体積を抑制することができる。

図１は本発明の実施形態に係る電力変換装置を電動車両に適用した場合の放電システムの概要図である。 図２は電力変換装置の通常放電制御を説明するためのグラフである。 図３は本発明とは異なる実施形態に係る電力変換装置を電動車両に適用した場合の放電システムの概要図である。 図４に示す電力変換装置において、インバータ回路の動作及びコンデンサの電圧特性を説明するためのグラフである。 図５Ａは第１実施形態における電力変換装置において、インバータ回路動作の一例で、コンデンサの電圧特性を示すグラフである。 図５Ｂは第１実施形態における電力変換装置において、インバータ回路動作の一例で、スイッチング素子の電圧特性を示すグラフである。 図６Ａは第２実施形態における電力変換装置において、インバータ回路動作の一例で、コンデンサの電圧特性を示すグラフである。 図６Ｂは第２実施形態における電力変換装置において、インバータ回路動作の一例で、スイッチング素子の電圧特性を示すグラフである。 図７Ａは第３実施形態における電力変換装置において、通常放電制御におけるスイッチング素子のゲート信号を示すグラフである。 図７Ｂは第３実施形態における電力変換装置において、強制放電制御におけるスイッチング素子のゲート信号を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

≪第１実施形態≫
図１は、第１実施形態に係る電力変換装置１０を含む電動車両の放電システム１００の概要を示すブロック図である。電動車両は、電力変換装置１０により変換されたバッテリ１の電力を使用してモータ４を駆動する車両である。放電システム１００は、電力変換装置１０とバッテリ１との間での電力授受が行われない場合に、電力変換装置１０がコンデンサ３１に蓄積された電荷を放電するシステムである。

放電システム１００は、バッテリ１と、ヒューズ２と、リレー３と、モータ４と、回転子位置センサ５と、車両コントローラ６と、電力変換装置１０とを備える。

本実施形態に係る電力変換装置１０が対象とする電動車両としては、電気自動車やハイブリッド自動車（ＨＥＶ）を例示することができる。何れの電動車両においても、バッテリ１からの電力で動作するモータ４が搭載されており、モータ４は電動車両の車軸（図示しない）に連結されている。

バッテリ１は、直流電源であって、本実施形態の電動車両の駆動用電源として用いられる。例えば、バッテリ１にはリチウムイオン電池などの二次電池が用いられる。バッテリ１は、ヒューズ２と、リレー３とを介して、電力変換装置１０に接続されている。リレー３は、車両のメインスイッチ（図示しない）のオン／オフ操作に連動して、車両コントローラ６により開閉駆動する。メインスイッチは、運転者の操作によってオン／オフを切り換える。メインスイッチがオンの時に、リレー３が閉じられ、メインスイッチがオフの時に、リレー３が開かれる。

車両コントローラ６は、中央演算装置（ＣＰＵ）、リードオンメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を備え、本実施形態の電動車両の全体を制御する制御部であって、アクセル信号等に基づきトルク指令値を算出し、当該トルク指令値を制御回路３６に出力する。また車両コントローラ６は、電動車両を駆動させる際の起動要求指令と、当該車両を停止させる際の停止要求指令とを制御回路３６に出力する。また車両コントローラ６は、メインスイッチに基づき、開閉駆動信号をリレー３へ出力しつつ、当該開閉信号に関する情報を制御回路３６へ出力する。

回転子位置センサ５は、レゾルバやエンコーダなどのセンサであって、モータ４に設けられ、モータ４の回転子の位置を検出し、回転子の位置を制御回路３６に出力する。

電力変換装置１０は、インバータ回路２０、コンデンサ３１、給電母線３２、電圧センサ３３、電流センサ３４、駆動回路３５及び制御回路３６、放電回路４０を備えている。コンデンサ３１、電圧センサ３３、及び放電回路４０は、リレー３とインバータ回路２０との間に接続されている。

インバータ回路２０は、複数の電圧型駆動素子（絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴ）及び複数の整流素子（還流ダイオード）を有している。図１では、複数の電圧型駆動素子はトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６であって、複数の整流素子はダイオードＤ１〜Ｄ６である。トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６とダイオードＤ１〜Ｄ６とはそれぞれ並列に接続されている。ダイオードＤ１〜Ｄ６は、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６の電流方向とは逆方向に電流が流れる向きに、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６に接続されている。インバータ回路２０は、バッテリ１の直流電力を交流電力に変換して、モータ４に供給する。本実施形態では、２つのトランジスタを直列に接続した３対の回路がバッテリ１に並列に接続され、各対のトランジスタ間とモータ４の三相入力部とがそれぞれ電気的に接続されている。各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６には、同一のトランジスタが用いられ、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が用いられる。またトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２及びダイオードＤ１、Ｄ２がパワーモジュール２１としてモジュール化されており、同様に、トランジスタＴｒ３、Ｔｒ４及びダイオードＤ３、Ｄ４がパワーモジュール２２として、トランジスタＴｒ５、Ｔｒ６及びダイオードＤ５、Ｄ６がパワーモジュール２３としてモジュール化されている。

図１に示す例でいえば、トランジスタＴｒ１とＴｒ２、トランジスタＴｒ３とＴｒ４、トランジスタＴｒ５とＴｒ６がそれぞれ直列に接続されている。トランジスタＴｒ１とＴｒ２の間とモータ４のＵ相、トランジスタＴｒ３とＴｒ４の間とモータ４のＶ相、トランジスタＴｒ５とＴｒ６の間とモータ４のＷ相がそれぞれ接続されている。トランジスタＴｒ１、Ｔｒ３、Ｔｒ５は、バッテリ１の正極側に電気的に接続されており、トランジスタＴｒ２、Ｔｒ４、Ｔｒ６は、バッテリ１の負極側に電気的に接続されている。各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン及びオフの切り換えは、駆動回路３５を介して制御回路３６により制御される。

コンデンサ３１は、給電母線３２間に接続されている。コンデンサ３１はバッテリ１から供給される直流電力を平滑化するために設けられる。電圧センサ３３は、給電母線３２間に接続されており、コンデンサ３１に並列に接続されている。電圧センサ３３はコンデンサ３１の電圧を検出することで、給電母線３２間の電圧を検出するセンサである。電流センサ３４は、インバータ回路２０からモータ４に供給される各相電流（Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ）を検出センサである。図１では、電流センサ３４は、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２の接続点、トランジスタＴｒ３、Ｔｒ４の接続点及びトランジスタＴｒ５、Ｔｒ６の接続点と、モータ４との間の各相に設けられている。そして、電流センサ３４は検出電流の信号を制御回路３６に出力する。

放電回路４０は、給電母線３２間に接続されており、コンデンサ３１及び電圧センサ３３に並列に接続されている。放電回路４０は、放電抵抗４１及びスイッチング素子４２を備えている。図１に示す例では、放電回路４０は、放電抵抗４１とスイッチング素子４２との直列回路で構成されている。スイッチング素子４２には、例えば、ＭＯＳＦＥＴが用いられる。スイッチング素子４２のオン及びオフは、駆動回路３５を介して、制御回路３６により制御される。スイッチング素子４２はリレー３に対して独立に動作する。

駆動回路３５は、各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６に対してゲート信号を出力し、各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン及びオフを駆動させる。駆動回路３５は、電圧センサ３３からの信号を入力とし、当該信号を制御回路３６により認識できる波形レベルに変換し、コンデンサ３１の電圧を示す信号として、制御回路３６に出力する。さらに、駆動回路３５は、制御回路３６からの信号を入力とし、当該入力信号に基づき、スイッチング素子４２にゲート信号を出力し、スイッチング素子４２のオン及びオフを駆動させる。

制御回路３６は、駆動回路３５を介して各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を制御し、モータ４の動作を制御する。制御回路３６は、車両コントローラ６から出力されるトルク指令値を示す信号、回転子位置センサ５からの信号、電流センサ３４から出力されるフィードバック信号、及び、電圧センサ３３からの信号を読み込む。そして、制御回路３６は、読み込んだ信号に基づき、ＰＷＭ（パルス幅変調）信号を生成し、当該信号を駆動回路３５に出力する。駆動回路３５は、当該パルス幅変調信号に基づき、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を所定のタイミングでオン及びオフさせる。これにより、インバータ回路２０は、モータ４の力行及びモータ４の回生に対応する動作を行う。

次に、インバータ回路２０の動作について説明する。インバータ回路２０は、モータ４の力行及びモータ４の回生に対応する動作を行う。電動車両において、力行とはモータ４の動力を車輪（図示しない）に伝えて加速、又は均衡速度を保つことである。電動車両の場合には、モータ４の力行は運転者がアクセルを踏んでいる状態に相当する。モータ４の力行時には、インバータ回路２０は、バッテリ１の直流電力を交流電力に変換しつつ、モータ４に出力する。一方、電動車両において、回生とは交流電力を変換して駆動回転力として出力しているモータ４に対して、軸回転を入力して発電機として作動させ、運動エネルギーを電気エネルギーに変換して回収することである。モータ４の回生時には、インバータ回路２０はモータ４で発生する回生電力を直流電力に変換して、バッテリ１に出力する。以降の説明においては、モータ４の力行に対応するインバータ回路２０の動作を、インバータ回路２０の力行動作と称し、モータ４の回生に対応するインバータ回路２０の動作を、インバータ回路２０の回生動作と称する。

ここで、再び、制御回路３６について説明する。制御回路３６は、リレー３の開放信号に基づいて、駆動回路３５に対して、スイッチング素子４２がオンするように信号を出力する。そして、駆動回路３５は、スイッチング素子４２をオンさせる。スイッチング素子４２がオンすると、給電母線３２間は放電抵抗４１を介して導通した状態になり、コンデンサ３１に蓄積された電荷は放電抵抗４１で放電される。放電動作の詳細な説明については後述する。以降の説明においては、上述した運転終了時における制御回路３６のスイッチング素子４２への制御を、通常放電制御と称する。

次に、図２を用いて、電力変換装置１０の通常放電制御を説明する。図２は、通常放電制御の一例でコンデンサ３１の電圧特性を示すグラフである。縦軸はコンデンサ３１の電圧を示し、横軸は時間を示す。電力変換装置１０の動作の終了時、例えば、時刻ｔ_{ＭＳＷ＿ＯＦＦ}において、運転者が車両のメインスイッチをオフにした場合に、車両コントローラ６は、時刻ｔ_１において、リレー３の開放信号をリレー３へ出力する。その後、時刻ｔ_{ＦＥＴＯＮ１}において、制御回路３６は、放電回路４０のスイッチング素子４２がオンするように信号を駆動回路３５に出力する。駆動回路３５は、スイッチング素子４２に対してゲート信号を出力し、スイッチング素子４２をオンさせる。スイッチング素子４２がオンすると、給電母線３２間は放電抵抗４１を介して導通した状態になり、コンデンサ３１に蓄積されている電荷は、放電抵抗４１で放電される。図２に示すグラフでは、時刻ｔ_{ＦＥＴＯＮ１}において、コンデンサ３１に蓄積された電荷の放電を開始し、その後、時刻ｔ_２において、放電を終了したことを示している。

ここで、図１に戻り、制御回路３６について再び説明する。制御回路３６は、電流センサ３４からのフィードバック信号、及び回転子位置センサ５からの信号を読み込む。そして、制御回路３６は、読み込んだ信号に基づき、インバータ回路２０が力行動作中なのか回生動作中なのかを検知する。なお、当該検知について、制御回路３６は上述したＰＷＭ生成制御から独立して検知してもよいし、ＰＷＭ信号の生成過程に組み込んで検知してもよい。

また制御回路３６は、駆動回路３５から出力される電圧センサ３３による検出電圧を示す信号を入力信号とする。制御回路３６は、入力信号に基づき、コンデンサ３１の電圧が所定の電圧閾値より高いことを検知する。インバータ回路２０の回生動作中において、制御回路３６は、当該検知結果に基づき、スイッチング素子４２とインバータ回路２０とを制御する。以降の説明においては、制御回路３６がコンデンサ３１の電圧が所定の電圧閾値より高いことを検知したことを、所定の条件と称する。また、所定の電圧閾値には、例えばリレー３、コンデンサ３１、又はトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６の耐電力に基づき、設定された値が用いられる。

インバータ回路２０の回生動作中において、制御回路３６は、所定の条件を満たすと、駆動回路３５にスイッチング素子４２がオンするように信号を出力する。そして、駆動回路３５は、スイッチング素子４２をオンさせる。

また制御回路３６は、所定の条件を満たすと、所定の時間経過後に、インバータ回路２０の動作を停止するように制御する。制御回路３６は、ＰＷＭ信号の生成を止め、制御回路３６に対して、当該信号の出力を止める。そして、駆動回路３５はトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６をオフさせ、インバータ回路２０の回生動作を停止させる。

一旦、スイッチング素子４２がオンすると、制御回路３６は、インバータ回路２０の回生動作停止後に、駆動回路３５に対して、スイッチング素子４２がオフするように信号を出力する。そして、駆動回路３５は、スイッチング素子４２をオフさせる。以降の説明においては、インバータ回路２０の回生動作中において、制御回路３６がスイッチング素子４２に行う制御のことを、強制放電制御と称する。制御回路３６は、強制放電制御と、運転動作終了時の通常放電制御とを独立して行う。

ところで、インバータ回路の回生動作中に、インバータ回路の出力電力がバッテリに供給できない場合において、本実施形態とは異なる電力変換装置のコンデンサの電圧特性を説明する。図３は、本実施形態とは異なる電力変換装置５０を含む電動車両の放電システム２００の概要を示すブロック図である。電力変換装置５０は比較例（参考例）の電力変換装置の一例である。電力変換装置５０は、本実施形態に係る電力変換装置１０と比べて放電回路を有しない点以外は、本実施形態に係る電力変換装置１０と同様の構成を有する。また、電力変換装置５０は、以下に説明するように動作すること以外は、本実施形態と同様に動作する。

制御回路６６は、本実施形態の機能からスイッチング素子に関する機能を除き、本実施形態と同様の機能を有する。駆動回路６５は、本実施形態の機能からスイッチング素子に関する機能を除き、本実施形態と同様の機能を有する。

次に、図４を用いて、インバータ回路２０の回生動作中に、インバータ回路２０の出力電力がバッテリに供給できない場合において、図３に示す電力変換装置５０のコンデンサ３１の電圧特性を説明する。図４は、インバータ回路２０の回生動作中の一例でコンデンサ３１の電圧特性を示すグラフである。縦軸はコンデンサ３１の電圧を示し、横軸は時間を示す。図４に示すグラフでは、時刻０において、インバータ回路２０は回生動作中で、モータ４の回生電力がバッテリ１へ供給されている。図４では、回生動作中のインバータ回路２０の出力電力がバッテリ１へされている状態において、コンデンサ３１の電圧をＶ_１として示している。時刻ｔ_１において、インバータ回路２０が回生動作中に、ヒューズ２又はリレー３が何らかの原因で開放され、電力変換装置１０とバッテリ１との接続が切断する。そして、電力変換装置５０はモータ４の回生電力をバッテリ１へ供給できない状態になる。インバータ回路２０の出力電力はコンデンサ３１に溜まり、コンデンサ３１の電圧は上昇し始める。

コンデンサ３１の電圧上昇開始後、時刻ｔ_ＤＥＴにおいて、制御回路６６は、電圧センサ３３により検出された検出電圧に基づき、コンデンサ３１の電圧が電圧閾値Ｖ_ＴＨより高いことを検知する。所定の時間経過後、時刻ｔ_{ＰＷＭ＿ＯＦＦ}において、制御回路６６は駆動回路６５を介してインバータ回路２０のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６をオフする。トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６がオフされると、インバータ回路２０は回生動作を停止する。インバータ回路２０が回生動作を停止すると、モータ４の励磁インダクタンスに蓄積されたエネルギー（以降、励磁エネルギーと称す）がインバータ回路２０に入力される。入力された励磁エネルギーは給電母線３２を介してコンデンサ３１に溜まり、コンデンサ３１の電圧はさらに上昇し始める。その後、時刻ｔ_２において、モータ４の励磁エネルギーによるコンデンサ３１の電圧上昇は止まり、コンデンサ３１の電圧は平衡状態になる。図４に示すグラフでは、平衡状態になったコンデンサ３１の電圧をＶ_２として示している。

図４について説明したように、インバータ回路２０の回生動作中に何らかの原因でモータ４で発生する回生電力がバッテリ１へ供給できなくなると、インバータ回路２０の出力電力はコンデンサ３１に溜まり、コンデンサ３１の電圧は上昇する。その後、インバータ回路２０の動作停止に伴い、モータ４の励磁エネルギーがコンデンサ３１に入力され、コンデンサ３１の電圧はさらに上昇する。その結果、コンデンサ３１の電圧は過電圧になる可能性がある。このため、コンデンサ３１が過電圧になるのを防ぐには、コンデンサ３１の容量を予め大きくする必要がある。その結果、コンデンサの体積は大きくなり、電力変換装置５０が大型化し、コストも増加する。

次に、上述した比較例の動作を踏まえたうえで、図５Ａ及び図５Ｂを用いて、本実施形態に係る電力変換装置１０の動作を説明する。図５Ａは、インバータ回路２０の回生動作中の一例でコンデンサ３１の電圧特性を示すグラフである。図５Ａにおいて、点線は、図４に示す比較例でのコンデンサの電圧波形を示し、図５と同じ波形であるため、説明を省略する。図５Ａに示す電圧Ｖ_１、Ｖ_２は、図４に示す電圧と同じ電圧であるため、説明を省略する。図５Ｂは、インバータ回路２０の回生動作中の一例でスイッチング素子４２の電圧特性を示すグラフである。図５Ｂにおける時刻は、図５Ａと同じ時刻であるため、説明は省略する。

図５Ａに示すグラフでは、時刻ｔ_１において、ヒューズ２又はリレー３が何らかの原因で開放され、インバータ回路２０とバッテリ１との接続が切断した場合に、コンデンサ３１の電圧は上昇し始める。コンデンサ３１の電圧上昇開始後、時刻ｔ_{ＦＥＴ＿ＯＮ２}において、制御回路３６は、電圧センサ３３により検出された検出電圧に基づき、コンデンサ３１の電圧が電圧閾値Ｖ_ＴＨより高いことを検知する。制御回路３６は、放電回路４０のスイッチング素子４２がオンするように駆動信号を駆動回路３５に出力する。駆動回路３５は、スイッチング素子４２に対してゲート信号を出力し、スイッチング素子４２をオンさせる。

図５Ｂに示すグラフでは、時刻ｔ_{ＦＥＴ＿ＯＮ２}において、スイッチング素子４２がオンしていることを示している。図５Ｂでは、スイッチング素子４２がオンする電圧を電圧Ｖ_ＯＮとして示している。

図５Ａに戻り、時刻ｔ_{ＦＥＴ＿ＯＮ２}において、スイッチング素子４２がオンすると、給電母線３２間は放電抵抗４１を介して導通し、電力変換装置１０は、コンデンサ３１に蓄積された電荷を放電抵抗４１で放電し始める。コンデンサ３１の電荷が放電抵抗４１で放電されると、コンデンサ３１の電圧は低くなる。図５Ａに示す例では、時刻ｔ_{ＦＥＴＯＮ２}以降において、インバータ回路２０の出力電力がコンデンサ３１に溜まっている状態で、コンデンサ３１に蓄積された電荷は放電抵抗４１で放電されることを示している。そのため、コンデンサ３１の電荷の放電が開始されると、コンデンサ３１の電圧の上昇速度は、当該電荷の放電が開始される前に比べて遅くなる。図５Ａに示すグラフでは、電圧の上昇速度を示す電圧の傾きについて、時刻ｔ_{ＦＥＴ＿ＯＮ２}〜ｔ_{ＰＷＭ＿ＯＦＦ}間の電圧の傾きが時刻ｔ_１〜ｔ_{ＦＥＴＯＮ２}間の電圧の傾きよりも小さいことを示している。

時刻ｔ_{ＦＥＴ＿ＯＮ２}から所定の時間経過後、時刻ｔ_{ＰＷＭ＿ＯＦＦ}において、制御回路３６はインバータ回路２０が過電圧にならないように、インバータ回路２０のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６をオフする信号を駆動回路３５に出力する。駆動回路３５により、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６はオフされ、インバータ回路２０は回生動作を停止する。インバータ回路２０が回生動作を停止すると、モータ４の励磁エネルギーがインバータ回路２０に入力される。励磁エネルギーは給電母線３２を介してコンデンサ３１に溜まり、コンデンサ３１の電圧はさらに上昇し始める。

その後、時刻ｔ_２において、制御回路３６は、スイッチング素子４２がオフするように駆動信号を駆動回路３５に出力する。駆動回路３５は、スイッチング素子４２に対してゲート信号を出力し、スイッチング素子４２をオフさせる。図５Ｂに示すグラフでは、時刻ｔ_２において、スイッチング素子４２がオフしていることを示している。図５Ｂでは、スイッチング素子４２がオフする電圧を０として示している。

図５Ａに戻り、時刻ｔ_２において、モータ４の励磁エネルギーによるコンデンサ３１の電圧上昇は止まり、コンデンサ３１の電圧は平衡状態になる。図５Ａに示すグラフでは、平衡状態の電圧をＶ_２Ａとして示している。さらに、図５Ａに示すグラフでは、コンデンサ３１の平衡状態の電圧について、本実施形態での平衡状態の電圧Ｖ_２Ａは、比較例の平衡状態の電圧Ｖ_２よりも低い電圧になることを示している。

以上のように、本実施形態において、電力変換装置１０は、インバータ回路２０と、バッテリ１とインバータ回路２０とを接続する給電母線３２と、給電母線３２間に接続されるコンデンサ３１と、給電母線３２間に接続される放電回路４０と、インバータ回路２０及び放電回路４０を制御する制御回路３６とを備える。放電回路４０は、放電抵抗４１と、放電抵抗４１とコンデンサ３１との間に接続されるスイッチング素子４２とを有する。制御回路３６は、インバータ回路２０の回生動作中に、インバータ回路２０の出力電力がバッテリ１に供給できない状態において、スイッチング素子４２をオンする制御を実行する。これにより、電力変換装置１０は、インバータ回路２０の出力電力がバッテリ１に供給されずに、コンデンサ３１の電圧が上昇する状態において、コンデンサ３１に蓄積された電荷を放電抵抗４１で放電することができる。そのため、コンデンサ３１の電圧が過電圧にならないように、コンデンサ３１の容量を予め大きくする必要がなくなり、コンデンサの体積を抑制することができる。コンデンサ体積の抑制により、電力変換装置を小型化、低コスト化することができる。

また、本実施形態において、電力変換装置１０は、コンデンサ３１の電圧を検出す電圧センサ３３を備え、制御回路３６は、電圧センサ３３により検出された検出電圧が所定の電圧閾値よりも高い場合に、スイッチング素子４２をオンする制御を実行する。これにより、電力変換装置１０は、コンデンサ３１が過電圧になるのを防ぎつつ、コンデンサ３１に蓄積された電荷を放電することができる。その結果、コンデンサ３１の容量を大きくする必要がなくなり、コンデンサの体積を抑制することができる。

さらに、本実施形態において、制御回路３６は、リレー３をオフした後に、スイッチング素子４２をオンする。これにより、運転終了時において、電力変換装置１０はコンデンサ３１に蓄積された全ての電荷を放電抵抗４１で放電することができる。その結果、運転開始時において、運転終了時に放電されずにコンデンサ３１に蓄積された電荷が、バッテリ１へ流れ込むことを防ぐことができる。

≪第２実施形態≫
次に、第２実施形態に係る電力変換回路について説明する。第２実施形態に係る電力変換装置１０は、第１実施形態に係る電力変換装置１０と同様の構成を有し、以下に説明するように動作すること以外は、第１実施形態と同様に動作する。

第２実施形態に係る制御回路３６は、第１実施形態の機能に加えて、電圧センサ３３の検出電圧が所定の電圧閾値より高くなってから、所定の時間経過後に、インバータ回路２０の動作を停止させる制御をしつつ、スイッチング素子４２をオンさせるように制御する。制御回路３６は、ＰＷＭ信号の生成を止め、制御回路３６に対して、当該信号の出力を止めつつ、駆動回路３５に対して、スイッチング素子４２がオンするように信号を出力する。

次に、図６Ａ及び図６Ｂを用いて、本実施形態において、電力変換装置１０の動作を説明する。図６Ａは、インバータ回路２０の回生動作中の一例でコンデンサ３１の電圧特性を示すグラフである。図６Ａにおいて、点線は、比較例でのコンデンサの電圧波形を示し、図４、５Ａと同じ波形であるため説明を省略する。図６Ａに示す電圧Ｖ_１、Ｖ_２は、図４、５Ａに示す電圧Ｖ_１、Ｖ_２と同じ電圧であるため、説明を省略する。図６Ｂは、インバータ回路２０の回生動作中の一例でスイッチング素子４２の電圧特性を示すグラフである。図６Ｂにおける時刻は、図６Ａと同じ時刻であるため、説明は省略する。

図６Ａに示すグラフでは、時刻ｔ_１において、ヒューズ２又はリレー３が何らかの原因で開放され、インバータ回路２０とバッテリ１との接続が切断した場合に、コンデンサ３１の電圧は上昇し始める。コンデンサ３１の電圧上昇開始後、時刻ｔ_ＤＥＴにおいて、制御回路３６は、電圧センサ３３により検出された検出電圧に基づき、コンデンサ３１の電圧が電圧閾値Ｖ_ＴＨより高いことを検知する。

時刻ｔ_ＤＥＴから所定の時間経過後、時刻ｔ_{ＰＷＭ＿ＯＦＦ}において、制御回路３６はインバータ回路２０が過電圧にならないように、インバータ回路２０のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６をオフする信号を駆動回路３５に出力すると同時に、スイッチング素子４２がオンするように駆動信号を駆動回路３５に出力する。駆動回路３５は、スイッチング素子４２に対してゲート信号を出力し、スイッチング素子４２をオンさせる。

図６Ｂに示すグラフでは、時刻ｔ_{ＰＷＭ＿ＯＦＦ}において、スイッチング素子４２がオンしていることを示している。図６Ｂでは、スイッチング素子４２がオンする電圧を電圧Ｖ_ＯＮとして示している。なお、図６Ａ及び図６Ｂでは、時刻ｔ_{ＦＥＴ＿ＯＮ３}はスイッチング素子４２がオンしている時刻を示しており、時刻ｔ_{ＦＥＴ＿ＯＮ３}は時刻ｔ_{ＰＷＭ＿ＯＦＦ}と同じ時刻であることを示している。

図６Ａに戻り、時刻ｔ_{ＰＷＭ＿ＯＦＦ}において、駆動回路３５により、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６はオフされ、インバータ回路２０は回生動作を停止する。インバータ回路２０が回生動作を停止すると、モータ４の励磁エネルギーがインバータ回路２０に入力される。一方、制御回路３６のスイッチング素子４２に対する制御により、スイッチング素子４２がオンすると、コンデンサ３１に蓄積された電荷は放電される。時刻ｔ_{ＰＷＭ＿ＯＦＦ}における電力変換装置１０のエネルギーの入出力について考えると、励磁エネルギーがインバータ回路２０に入力されるが、コンデンサ３１に蓄積されたエネルギーは放電抵抗４１を介して出力（放電）されることになる。図６Ｂに示すグラフでは、時刻ｔ_{ＰＷＭ＿ＯＦＦ}〜ｔ_２間の電圧の上昇率について、本実施形態における電圧上昇率は、比較例における電圧上昇率よりも低いことを示している。

その後、時刻ｔ_２において、制御回路３６は、放電回路４０のスイッチング素子４２がオフするように駆動信号を駆動回路３５に出力する。駆動回路３５は、スイッチング素子４２に対してゲート信号を出力し、スイッチング素子４２をオフさせる。図６Ｂに示すグラフでは、時刻ｔ_２において、スイッチング素子４２がオフしていることを示している。図６Ｂでは、スイッチング素子４２がオフする電圧を０として示している。

図６Ａに戻り、時刻ｔ_２において、モータ４の励磁エネルギーによるコンデンサ３１の電圧上昇は止まり、コンデンサ３１の電圧は平衡状態になる。図６Ａに示すグラフでは、平衡状態の電圧をＶ_２Ｂとして示している。さらに、図６Ａに示すグラフでは、コンデンサ３１の平衡状態の電圧について、本実施形態での平衡状態の電圧Ｖ_２Ｂは、比較例の平衡状態の電圧Ｖ_２よりも低い電圧になることを示している。

以上のように、本実施形態において、制御回路３６は、インバータ回路２０の回生動作中に、インバータ回路２０の出力電力がバッテリ１に供給できない状態において、インバータ回路２０の動作を停止させるとともに、スイッチング素子４２をオンする制御を実行する。これにより、電力変換装置１０は、モータ４の励磁エネルギーがインバータ回路２０に入力されると同時に、コンデンサ３１の電荷を放電抵抗４１で放電することができる。そのため、電力変換装置１０は、モータ４の励磁エネルギーを放電することができ、放電抵抗４１の耐電力定格は少なくとも励磁エネルギーに対応できる耐電力定格を必要とする。これにより、放電抵抗４１の耐電力定格を絞ることができる。その結果、放電抵抗４１の耐電力定格を不必要に大きくする必要がなくなり、放電抵抗４１の体積を最適にすることができる。コンデンサ体積の最適化により、電力変換装置のコストも最適にすることができる。

本実施形態における放電抵抗４１の抵抗値について、放電抵抗４１の抵抗値はモータ４の励磁エネルギーの放出時間と、コンデンサ３１とで示すことができる。例えば、放電抵抗４１の抵抗値をＲ_ＤＩＳ、モータ４の励磁エネルギーの放出時間をＴ_ＤＩＳ、コンデンサ３１の容量値をＣ_ＤＩＳとすると、放電抵抗４１の抵抗値をＲ_ＤＩＳは、下記式（１）で示すことができる。

本実施形態において、放電抵抗４１の抵抗値は上記の式のように示すことができる。そのため、放電抵抗４１の耐電力定格を不必要に大きくする必要がなくなり、放電抵抗４１の体積を最適にすることができる。コンデンサ体積の最適化により、電力変換装置１０のコストも最適にすることができる。

≪第３実施形態≫
次に、第３実施形態に係る電力変換装置について説明する。第３実施形態に係る電力変換装置１０は、第１、第２実施形態に係る電力変換装置１０と同様の構成を有し、以下に説明するように動作すること以外は、第１、第２実施形態と同様に動作する。

第３実施形態に係る制御回路３６は、スイッチング素子４２のオン時間、及び、スイッチング素子のオンする回数について、制御する。制御回路３６は、通常放電制御において、スイッチング素子４２がオンする回数と、スイッチング素子４２のオン時間とを制御する。また、制御回路３６は、強制放電制御においても、スイッチング素子４２がオンする回数と、スイッチング素子４２のオン時間とを制御する。制御回路３６は、スイッチング素子４２がオンする回数の制御のために、スイッチング素子４２が１回ずつオン及びオフする制御をオンオフ制御として実行する。

制御回路３６は、通常放電制御において、オンオフ制御を複数サイクル実行する。制御回路３６は、駆動回路３５に対して、スイッチング素子４２が複数回オン及びオフするように信号を出力する。さらに、制御回路３６は、通常放電制御におけるスイッチング素子４２のオン時間について、強制放電制御におけるオン時間よりも、短くなるように設定する。また、制御回路３６は、強制放電制御において、オンオフ制御を１サイクル実行する。制御回路３６は、駆動回路３５に対して、スイッチング素子４２が１回オン及びオフするように信号を出力する。

図７Ａ、図７Ｂは、第３実施形態に係る電力変換装置１０の制御について、スイッチング素子４２のゲート信号の一例を示したグラフである。図７Ａは、通常放電制御において、スイッチング素子４２のゲート信号を示したグラフであり、図７Ｂは、強制放電制御において、スイッチング素子４２のゲート信号を示したグラフである。図７Ａ、図７Ｂに示すグラフでは、スイッチング素子４２がオンする電圧をＶ_ＯＮとして示している。

図７Ａに示すように、制御回路３６は、通常放電制御の場合に、オンオフ制御を複数サイクル実行しつつ、オンオフ制御におけるオン時間をオフ時間より短くするように制御する。これにより、通常放電制御において、コンデンサ３１に蓄積された電荷は、スイッチング素子４２がオンするごとに、放電される。図７Ａでは、スイッチング素子４２のオン時間Ｔ_ＯＮ１は、スイッチング素子４２のオフ時間Ｔ_ＯＦＦ１より短いことを示している。

一方、図７Ｂに示すように、制御回路３６は、強制放電制御の場合に、オンオフ制御を１サイクル実行する。これにより、強制放電制御において、コンデンサ３１に蓄積され電荷を短時間で放電することができる。本実施形態では、強制放電制御の場合には、制御回路３６は、コンデンサ３１の高電圧を維持し続けるのを防ぐために、コンデンサ３１の電荷を１サイクルのオンオフ制御で放電させている。

図７Ａに戻り、図７Ａに示されているスイッチング素子４２のオン時間Ｔ_ＯＮ１について説明する。本実施形態では、制御回路３６は、通常放電制御におけるスイッチング素子４２のオン時間について、強制放電制御におけるオン時間よりも、短くなるように設定する。そのため、図７Ａに示すスイッチング素子４２のオン時間Ｔ_ＯＮ１は、図７Ｂに示すスイッチング素子４２のオン時間Ｔ_ＯＮ２よりも短い。

以上のように、本実施形態において、制御回路３６は、スイッチング素子４２を１回ずつオン及びオフする制御をオンオフ制御として実行する。制御回路３６は、インバータ回路２０の回生動作中に、インバータ回路２０の出力電力がバッテリ１に供給できない状態において、オンオフ制御を少なくとも１サイクル実行する強制放電制御を実行する。制御回路３６は、リレー３がオフした場合に、オンオフ制御を複数サイクル実行する通常放電制御を実行し、通常放電制御においては、オンオフ制御におけるオン時間は、強制放電制御におけるオフ時間より短くなる。これにより、電力変換装置１０は、通常放電制御において、コンデンサ３１に蓄積された全ての電荷を複数回に分けて放電することができる。また、電力変換装置１０は、通常放電制御において、オン時間に応じて、１回当たりの放電量を放電抵抗４１の耐電力定格の範囲内の放電量に調整することができる。そのため、各制御ごとに放電抵抗４１を設ける必要がなく、言い換えると、各制御に対して共通の放電抵抗４１を使用することができる。その結果、放電抵抗４１の数を減らすことができ、電力変換装置１０を小型化することができる。さらに、強制放電制御において、コンデンサ３１に蓄積された電荷を放電抵抗４１で短時間で放電することと、通常放電制御において、複数回に分けて当該電荷を放電抵抗４１で放電することを両立することができる。

なお本実施形態では、制御回路３６は、通常放電制御において、スイッチング素子４２のオン時間をオフ時間より短く設定したが、通常放電制御におけるスイッチング素子４２のオン時間を強制放電制御におけるオン時間より短く設定してもよい。これにより、通常放電制御でのコンデンサ３１に蓄積された電荷の放電量は、強制放電制御での当該電荷の放電量より少なくなるため、強制放電制御のみを考慮して、放電抵抗４１の耐電力定格を設定することができる。その結果、不必要に耐電力定格を大きくする必要がなくなり、放電抵抗４１の体積を抑制することができる。

また本実施形態では、制御回路３６は、強制放電制御において、オンオフ制御を１サイクル実行するが、複数サイクル実行してもよい。

さらに本実施形態では、放電回路４０は、放電抵抗４１とスイッチング素子４２とが接続された直列回路で構成されているが、放電抵抗４１とスイッチング素子４２との間に電流計等の他の装置やその他の素子を設けて、放電抵抗４１とスイッチング素子４２とが当該他の装置又は当該他の素子を介して直列回路を構成してもよい。

上述した実施形態に係るバッテリ１は本発明の蓄電部に、リレー３は本発明のリレー素子に、モータ４は本発明の負荷に、電圧センサ３３は本発明のセンサに、駆動回路３５及び制御回路３６は本発明のコントローラに、強制放電制御は本発明の第１制御に、通常放電制御は本発明の第２制御にそれぞれ相当する。

なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

１…バッテリ
２…ヒューズ
３…リレー
４…モータ
５…回転子位置センサ
６…車両コントローラ
１０…電力変換装置
２０…インバータ回路
Ｔｒ_１〜Ｔｒ_６…トランジスタ
Ｄ_１〜Ｄ_６…ダイオード
３１…コンデンサ
３２…給電母線
３３…電圧センサ
３４…電流センサ
３５…駆動回路
３６…制御回路
４０…放電回路
４１…放電抵抗
４２…スイッチング素子
１００…放電システム

Claims (8)

1. 蓄電部から供給される電力を変換して負荷に供給し、かつ、前記負荷で発生する回生電力を変換して前記蓄電部に供給するインバータ回路と、
   前記蓄電部と前記インバータ回路とを接続する給電母線と、
   前記給電母線間に接続されるコンデンサと、
   前記給電母線間に接続される放電回路と、
   前記インバータ回路及び前記放電回路を制御するコントローラとを備え、
   前記放電回路は、放電抵抗と、前記放電抵抗と前記コンデンサとの間に接続されるスイッチング素子とを有し、
   前記コントローラは、前記インバータ回路の回生動作中に、前記インバータ回路の出力電力が前記蓄電部に供給できない状態において、前記スイッチング素子をオンにする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記コンデンサの電圧を検出するセンサをさらに備え、
   前記コントローラは、前記センサにより検出された検出電圧が所定の電圧閾値よりも高い場合に、前記スイッチング素子をオンする電力変換装置。
3. 請求項１又は２に記載の電力変換装置であって、
   前記コントローラは、前記インバータ回路の回生動作中に、前記インバータ回路の出力電力が前記蓄電部に供給できない状態において、前記インバータ回路の動作を停止させるとともに、前記スイッチング素子をオンする電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置であって、
   前記放電抵抗の抵抗値が、下記式（１）を満たすように、設定されている電力変換装置。
   

   

   ただし、Ｒ_ＤＩＳは前記放電抵抗の抵抗値、Ｔ_ＤＩＳは前記インバータ回路が動作を停止してから前記コンデンサの放電が終了するまでの時間、Ｃ_ＤＩＳは前記コンデンサの容量値を示す。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置であって、
   前記蓄電部と前記インバータ回路との間の導通及び遮断を切り換えるリレー素子をさらに備え、
   前記コントローラは、前記リレー素子をオフした後に、前記スイッチング素子をオンする電力変換装置。
6. 請求項５に記載の電力変換装置であって、
   前記コントローラは、
   前記スイッチング素子を１回ずつオン及びオフする制御をオンオフ制御として実行し、
   前記インバータ回路の回生動作中に、前記インバータ回路の出力電力が前記蓄電部に供給できない状態において、前記オンオフ制御を少なくとも１サイクル実行する第１制御を実行し、
   前記リレー素子をオフした場合に、前記オンオフ制御を複数サイクル実行する第２制御を実行し、
   前記第２制御において、前記スイッチング素子のオン時間は前記スイッチング素子のオフ時間より短くなる電力変換装置。
7. 請求項６に記載の電力変換装置であって、
   前記第２制御における前記スイッチング素子のオン時間は、前記第１制御における前記スイッチング素子のオン時間より短くなる電力変換装置。
8. インバータ回路と、前記インバータ回路と蓄電部とを接続する給電母線と、前記給電母線間に接続されるコンデンサと、前記給電母線間に接続される放電回路と、前記コンデンサの電圧を検出するセンサとを備えた電力変換装置を制御する制御方法であって、
   前記蓄電部から供給される電力を前記インバータ回路により変換し、変換された電力を負荷に供給し、
   前記負荷で発生する回生電力を前記インバータ回路により変換し、変換された電力を前記蓄電部に供給し、
   前記インバータ回路の回生動作中に前記センサにより検出される検出電圧が所定の電圧閾値より高いか否かを判定し、
   前記検出電圧が前記所定の電圧閾値より高い場合に、前記放電回路に含まれるスイッチング素子をオンにして、前記放電回路に含まれる放電抵抗で前記コンデンサに蓄積された電荷を放電する
   制御方法。

Images