JP7753319B2

JP7753319B2 - 電動車の充電システム

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Publication number: JP7753319B2
Application number: JP2023200571A
Authority: JP
Inventors: 芳永久保田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2023-03-22
Filing date: 2023-11-28
Publication date: 2025-10-14
Anticipated expiration: 2043-11-28
Also published as: JP2024137657A

Description

本発明は、電動車の充電システムに関し、特に、電動車の駆動用のモータ及びインバータを用いてバッテリーに充電する充電システムに関する。

近年、地球の気候変動への対策として、低炭素社会又は脱炭素社会の実現に向けた取り組みが活発化している。車両においても、ＣＯ２排出量の削減が強く要求され、動力源の電動化が急速に進行している。このような動力源として用いられる駆動用モータに電力を供給するバッテリーへの充電システムとして、従来、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。

この充電システムは、車両に搭載されており、モータジェネレータ、２つのバッテリー、２つのインバータ、車載充電器及び制御部を備えている。急速充電を行う場合、車両の外部に設置された急速充電器から供給される直流電力が、モータジェネレータの各相のコイル及び各インバータを通電経路として流れ、各バッテリーに充電される。一方、普通充電を行う場合、車両外部の交流電源から供給される交流電力が、車載充電器によって直流電力に変換され、その変換された直流電力が、各バッテリーに充電される。

特開２０２１－５９４４号公報

上述したように、上記の充電システムでは、モータジェネレータのコイル及びインバータを介して、直流電力による急速充電が行われる。しかし、普通充電を行う場合、交流電力を直流電力に変換するために、車載充電器を用いている。このため、上記の充電システムでは、車載充電器の分、部品点数が増えるとともにコスト高になり、また、車両には、車載充電器を設置するためのスペースが必要になる。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、駆動用のモータ及びインバータを用い、急速充電に加えて普通充電を行うことができ、それにより、車載充電器を省略できることで、充電システム全体の部品点数及びコストの低減を図ることができる電動車の充電システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、電動車の駆動用のモータ及びインバータを用いて、外部電源からバッテリーに充電する電動車の充電システムであって、モータは、永久磁石を有するロータと、このロータの外側に配置されたステータと、このステータに巻き付けられ、ロータを間にした状態で互いに対向する第１巻線部及び第２巻線部を有する第１相の巻線と、ステータに巻き付けられ、ロータを間にした状態で互いに対向する第３巻線部及び第４巻線部を有し、第１相の巻線に対して電気角で９０度ずれた状態で配置された第２相の巻線と、を有しており、インバータは、バッテリーに互いに接続されるとともに、第１相の第１及び第２巻線部、並びに第２相の第３及び第４巻線部にそれぞれ接続された第１～第４Ｈブリッジ回路と、第１及び第２巻線部を通る双方向の電流の流れ、並びに第３及び第４巻線部を通る双方向の電流の流れをそれぞれ、オン状態又はオフ状態に切り替える第１及び第２双方向スイッチと、を有し、第１～第４Ｈブリッジ回路は、スイッチング素子をそれぞれ有する上アーム及び下アームが中点で互いに接続された第１及び第２レグ、第３及び第４レグ、第５及び第６レグ、並びに第７及び第８レグをそれぞれ有し、第１巻線部の一端及び他端に第１及び第２レグの中点がそれぞれ接続され、第２巻線部の一端及び他端に第３及び第４レグの中点がそれぞれ接続され、第３巻線部の一端及び他端に第５及び第６レグの中点がそれぞれ接続され、第４巻線部の一端及び他端に第７及び第８レグの中点がそれぞれ接続されており、第１～第４Ｈブリッジ回路、第１及び第２双方向スイッチ、並びにロータの停止位置を制御する制御装置を、備えており、制御装置は、ＤＣ充電時に、外部電源による直流電流を第１～第４巻線部に通電させるように制御することによって、バッテリーを充電し、ＡＣ充電時に、外部電源を、第３巻線部及び／又は第４巻線部に電気的に接続するとともに、ロータを、所定位置に停止させるように制御することにより、バッテリーを充電し、ＡＣ充電時に、第１及び第２双方向スイッチをいずれもオフ状態とし、第３及び第４Ｈブリッジ回路を力率改善回路として機能させるように制御するとともに、第１及び第２Ｈブリッジ回路を絶縁ＤＣ－ＤＣコンバータとして機能させるように制御し、第１及び第２Ｈブリッジ回路によって、第３及び第４Ｈブリッジ回路からの直流電流を所定電圧に変換することを特徴とする。

この構成によれば、電動車の駆動用のモータが、上記の第１巻線部及び第２巻線部を有する第１相の巻線、並びに上記の第３巻線部及び第４巻線部を有する第２相の巻線を有している。また、インバータが、上記の第１～第４Ｈブリッジ回路、並びに上記の第１及び第２双方向スイッチを有している。第１～第４Ｈブリッジ回路がそれぞれ、第１及び第２レグ、第３及び第４レグ、第５及び第６レグ、並びに第７及び第８レグを有している。そして、第１～第４巻線部の一端及び他端が、上記のように、第１～第８レグの中点にそれぞれ接続されている。

第１～第４Ｈブリッジ回路、第１及び第２双方向スイッチ、並びにロータの停止位置を制御する制御装置により、ＤＣ充電時及びＡＣ充電時に、以下のように制御される。具体的には、ＤＣ充電時には、外部電源による直流電流を第１～第４巻線部に通電させるように制御し、それにより、バッテリーに充電する。一方、ＡＣ充電時には、外部電源を、第３巻線部及び／又は第４巻線部に電気的に接続するとともに、ロータを、所定位置、例えば第１相と第２相とが互いに磁気干渉しない位置に停止するように制御し、それにより、バッテリーを充電する。このように、本発明によれば、駆動用のモータ及びインバータを用い、ＤＣ充電による急速充電に加えて、ＡＣ充電による普通充電を行うことができ、それにより、従来と異なり、車載充電器を省略できることで、充電システム全体の部品点数及びコストの低減を図ることができる。なお、ＡＣ充電時に第３巻線部又は第４巻線部の一端が外部電源に接続される際には、上記一端がインバータのレグから切り離された状態で、外部電源に接続される。
また、上記の構成によれば、制御装置により、ＡＣ充電時に、第１及び第２双方向スイッチをいずれもオフ状態とし、第３及び第４Ｈブリッジ回路を力率改善回路として機能させるので、外部電源による交流電流の高調波成分を低減し、基調波の正弦波に近づけることができる。また、ＡＣ充電時に、第１及び第２Ｈブリッジ回路を絶縁ＤＣ－ＤＣコンバータとして機能させるので、力率改善回路としての第３及び第４Ｈブリッジ回路からの直流電流を所定電圧に変換し、効率良くバッテリーに充電することができる。

請求項２に係る発明は、電動車の駆動用のモータ及びインバータを用いて、外部電源からバッテリーに充電する電動車の充電システムであって、モータは、永久磁石を有するロータと、このロータの外側に配置されたステータと、このステータに巻き付けられ、第１巻線部及び第２巻線部を有する第１相の巻線と、ステータに巻き付けられ、第３巻線部及び第４巻線部を有し、第１相の巻線に対して電気角で９０度ずれた状態で配置された第２相の巻線と、を有しており、インバータは、バッテリーに互いに接続されるとともに、第１相の第１及び第２巻線部、並びに第２相の第３及び第４巻線部にそれぞれ接続された第１～第４Ｈブリッジ回路と、第１及び第２巻線部を通る双方向の電流の流れ、並びに第３及び第４巻線部を通る双方向の電流の流れをそれぞれ、オン状態又はオフ状態に切り替える第１及び第２双方向スイッチと、を有し、第１～第４Ｈブリッジ回路は、スイッチング素子をそれぞれ有する上アーム及び下アームが中点で互いに接続された第１及び第２レグ、第３及び第４レグ、第５及び第６レグ、並びに第７及び第８レグをそれぞれ有し、第１巻線部の一端及び他端に第１及び第２レグの中点がそれぞれ接続され、第２巻線部の一端及び他端に第３及び第４レグの中点がそれぞれ接続され、第３巻線部の一端及び他端に第５及び第６レグの中点がそれぞれ接続され、第４巻線部の一端及び他端に第７及び第８レグの中点がそれぞれ接続されており、第１～第４Ｈブリッジ回路、並びに第１及び第２双方向スイッチを制御する制御装置を、備えており、制御装置は、ＡＣ充電時に、外部電源を、第３巻線部及び／又は第４巻線部に電気的に接続するように制御することにより、バッテリーを充電し、ＡＣ充電時に、第１及び第２双方向スイッチをいずれもオフ状態とし、第３及び第４Ｈブリッジ回路を力率改善回路として機能させるように制御するとともに、第１及び第２Ｈブリッジ回路を絶縁ＤＣ－ＤＣコンバータとして機能させるように制御し、第１及び第２Ｈブリッジ回路によって、第３及び第４Ｈブリッジ回路からの直流電流を所定電圧に変換することを特徴とする。

第１～第４Ｈブリッジ回路を制御する制御装置により、ＡＣ充電時には、外部電源を、第３巻線部及び／又は第４巻線部に電気的に接続するように制御することにより、バッテリーを充電する。このように、本発明によれば、駆動用のモータ及びインバータを用い、ＡＣ充電による普通充電を行うことができ、それにより、従来と異なり、車載充電器を省略できることで、充電システム全体の部品点数及びコストの低減を図ることができる。なお、ＡＣ充電時に第３巻線部又は第４巻線部の一端が外部電源に接続される際には、上記一端がインバータのレグから切り離された状態で、外部電源に接続される。
また、上記の構成によれば、制御装置により、ＡＣ充電時に、第１及び第２双方向スイッチをいずれもオフ状態とし、第３及び第４Ｈブリッジ回路を力率改善回路として機能させるので、外部電源による交流電流の高調波成分を低減し、基調波の正弦波に近づけることができる。また、ＡＣ充電時に、第１及び第２Ｈブリッジ回路を絶縁ＤＣ－ＤＣコンバータとして機能させるので、力率改善回路としての第３及び第４Ｈブリッジ回路からの直流電流を所定電圧に変換し、効率良くバッテリーに充電することができる。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の電動車の充電システムにおいて、制御装置は、ＤＣ充電時に、外部電源による直流電流を第１～第４巻線部に通電させるように制御することによって、バッテリーを充電することを特徴とする。

この構成によれば、制御装置は、ＤＣ充電時に、外部電源による直流電流を第１～第４巻線部に通電させるように制御し、それにより、バッテリーを充電する。これにより、駆動用のモータ及びインバータを用い、ＡＣ充電による普通充電に加えて、ＤＣ充電による急速充電を行うことができる。

本発明の一実施形態による電動車の充電システムの概略的な構成を示すブロック図である。モータの構成、及びモータの巻線と電力供給・充電回路との接続関係を示す図である。本発明の実施形態による電動車の充電システムの電力供給・充電回路を示す回路図である。直列巻線モードにおける電力供給・充電回路の動作を示す図である。並列巻線モードにおける電力供給・充電回路の動作を示す図である。普通充電（ＡＣ充電）時における電力供給・充電回路と外部電源（交流）との接続状態、及びロータの角度位置を例示する図である。急速充電（ＤＣ充電・４００Ｖ）時における電力供給・充電回路（直列パターン）と外部電源（直流）との接続状態、及びロータの角度位置を例示する図である。図７の急速充電時における電力供給・充電回路の動作を示す図である。急速充電（ＤＣ充電・４００Ｖ）時における電力供給・充電回路（並列パターン）と外部電源（直流）との続状態を示す図である。図９の急速充電時における電力供給・充電回路の動作を示す図である。急速充電（ＤＣ充電・４００Ｖ）時における電力供給・充電回路（並列パターン）と外部電源（直流）との他の接続状態を示す図である。図１１の急速充電時における電力供給・充電回路の動作を示す図である。超急速充電（ＤＣ充電・８００Ｖ）時における電力供給・充電回路と外部電源（直流）との接続状態を示す図である。図１３の超急速充電時における電力供給・充電回路の動作を示す図である。図２と同様の図であり、第１巻線部と第２巻線部を共通のティースに巻き付けるとともに、第３巻線部と第４巻線部を共通のティースに巻き付けた状態を示す。ＡＣ充電時における外部電源の入出力端子の接続状態の変形例を示す図である。超急速充電時における電力供給・充電回路の動作を示す図である。第１双方向スイッチ及び第２双方向スイッチを拡大して示す図であり、（ａ）は各電力供給・充電回路で用いたスイッチング回路、（ｂ）は他のスイッチング回路である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１に示すように、本発明を適用した充電システム１は、電動車に適用されるものであり、駆動用のモータＭと、モータＭに電力を供給するとともに、このモータＭを介してバッテリーＢに充電する電力供給・充電回路２（インバータ）と、この電力供給・充電回路２を制御する制御装置３とを備えている。充電の際には、電力供給・充電回路２が、ＤＣ充電及びＡＣ充電可能な外部電源４に接続され、充電システム１に電力が供給される。

図２に示すように、モータＭは、永久磁石を有するロータ１０と、その外周側に配置されたステータ１１と、ステータ１１に巻かれたα相（第１相）の巻線及びβ相（第２相）の巻線とを備える２相の同期モータであり、例えばブラシレスモータで構成されている。α相の巻線とβ相の巻線（以下、それぞれ単に「巻線α」、「巻線β」という）は、電気角で９０度ずれた状態で配置されている。巻線αは、第１巻線部α１及び第２巻線部α２を有し、巻線βは、第３巻線部β１及び第４巻線部β２を有している。第１～第４巻線部α１、α２、β１、β２のそれぞれの巻き数は、互いに等しくなっている。

図１に示すように、電力供給・充電回路２は、モータＭの駆動時に、直流のバッテリーＢからの入力電力を交流に変換してモータＭに供給するとともに、バッテリーＢの充電時に、外部電源４からの交流又は直流の電力を、モータＭを介して、昇圧及び／又は直流に変換してバッテリーＢに充電するインバータ回路で構成されている。また、この電力供給・充電回路２は、図３に示すように、バッテリーＢに接続されるとともに、モータＭの巻線α（第１巻線部α１及び第２巻線部α２）に接続された第１回路６と、バッテリーＢに第１回路６と並列に接続されるとともに、モータＭの巻線β（第３巻線部β１及び第４巻線部β２）に接続された第２回路７とを備えている。

第１回路６は、第１～第４レグＬ１～Ｌ４と、第１双方向スイッチＳＷαと、平滑コンデンサＣ１とを有しており、これらの第１～第４レグＬ１～Ｌ４及び第１平滑コンデンサＣ１は、バッテリーＢに対して互いに並列に接続されている。

第１～第４レグＬ１～Ｌ４は、互いに同じ構成を有している。具体的には、第１レグＬ１は、例えば、互いに並列のスイッチング素子と還流ダイオードでそれぞれ構成された２組の回路が互いに並列接続された上アームＡＨ１と、２つのスイッチング素子と還流ダイオードで、上記の上アームＡＨ１と同様に構成され、上アームＡＨ１に中点Ｐ１を介して直列接続された下アームＡＬ１とを有している。第２レグＬ２は、第１レグＬ１と同じ構成の上アームＡＨ２及び下アームＡＬ２を有し、下アームＡＬ２が、上アームＡＨ２に中点Ｐ２を介して直列接続されている。第３レグＬ３は、第１レグＬ１と同じ構成の上アームＡＨ３及び下アームＡＬ３を有し、下アームＡＬ３が、上アームＡＨ３に中点Ｐ３を介して直列接続されている。第４レグＬ４は、第１レグＬ１と同じ構成の上アームＡＨ４及び下アームＡＬ４を有し、下アームＡＬ４が、上アームＡＨ４に中点Ｐ４を介して直列に接続されている。

そして、図２に示すように、モータＭの第１巻線部α１の一端は、第１引出線Ｆ１を介して、第１レグＬ１の中点Ｐ１に、第１巻線部α１の他端は、第２引出線Ｆ２を介して、第２レグＬ２の中点Ｐ２にそれぞれ接続されている。また、モータＭの第２巻線部α２の一端は、第３引出線Ｆ３を介して、第３レグＬ３の中点Ｐ３に、第２巻線部α２の他端は、第４引出線Ｆ４を介して、第４レグＬ４の中点Ｐ４に、それぞれ接続されている。

以上の構成から明らかなように、第１レグＬ１の上下のアームＡＨ１、ＡＬ１と、第２レグＬ２の上下のアームＡＨ２、ＡＬ２は、第１Ｈブリッジ回路ＨＣ１を構成しており、それらのスイッチング素子のオン／オフ状態を適宜、切り替えることによって、第１巻線部α１を流れる電流の向きが切り替えられる。同様に、第３レグＬ３の上下のアームＡＨ３、ＡＬ３と第４レグＬ４の上下のアームＡＨ４、ＡＬ４は、第２Ｈブリッジ回路ＨＣ２を構成しており、それらのスイッチング素子のオン／オフ状態を適宜、切り替えることによって、第２巻線部α２を流れる電流の向きが切り替えられる。

第１双方向スイッチＳＷαは、互いに並列のスイッチング素子とダイオードでそれぞれ構成された２組の回路を、互いに逆向きに直列接続（ダイオードの順方向同士又は逆方向同士を接続）したものであり、２組のスイッチング素子の切替制御によって、第１双方向スイッチＳＷαを通る双方向の電流の流れを、オン状態とオフ状態に切り替えることが可能である。この第１双方向スイッチＳＷαは、上述した第１Ｈブリッジ回路ＨＣ１と第２Ｈブリッジ回路ＨＣ２の間、より具体的には、第２レグＬ２の中点Ｐ２と、第３レグＬ３の中点Ｐ３との間に配置されている。

なお、第１Ｈブリッジ回路ＨＣ１の第２レグＬ２と、第２Ｈブリッジ回路ＨＣ２の第３レグＬ３との間には、両レグＬ２、Ｌ３の接続をオン／オフ状態に切替可能なコンタクタ８、８が設けられている。なお、これらのコンタクタ８、８は、以下のように、上記接続をオン／オフ状態に切り替える。すなわち、モータＭの駆動時には、駆動通電のために、上記接続をオン状態に切り替える。また、急速充電（ＤＣ充電）時には、充電通電のために、上記接続をオン状態に切り替える。さらに、普通充電（ＡＣ充電）時には、絶縁のために、上記接続をオフ状態に切り替える。

第２回路７は、上述した第１回路６と同様に構成されているので、以下、簡潔に説明する。図３に示すように、第２回路７は、第５～第８レグＬ５～Ｌ８と、第２双方向スイッチＳＷβと、第２平滑コンデンサＣ２とを有している。第５～第８レグＬ５～Ｌ８及び第２平滑コンデンサＣ２は、バッテリーＢに対して互いに並列に接続されている。

第５～第８レグＬ５～Ｌ８は、互いに同じ構成を有しており、例えば、互いに並列のスイッチング素子と還流ダイオードで構成された２組の回路が互いに並列接続された上アームＡＨ５～ＡＨ８と、これらと同様に構成され、上アームＡＨ５～ＡＨ８に中点Ｐ５～Ｐ８をそれぞれ介して直列接続された下アームＡＬ５～ＡＬ８を、それぞれ有している。

図２に示すように、モータＭの第３巻線部β１の一端は、第５引出線Ｆ５を介して、第５レグＬ５の中点Ｐ５に、第３巻線部β１の他端は、第６引出線Ｆ６を介して、第６レグＬ６の中点Ｐ６に、それぞれ接続されている。また、モータＭの第４巻線部β２の一端は、第７引出線Ｆ７を介して、第７レグＬ７の中点Ｐ７に、第４巻線部β２の他端は、第８引出線Ｆ８を介して、第８レグＬ８の中点Ｐ８に、それぞれ接続されている。

また、第５レグＬ５の上下のアームＡＨ５、ＡＬ５と、第６レグＬ６の上下のアームＡＨ６、ＡＬ６は、第３Ｈブリッジ回路ＨＣ３を構成しており、それらのスイッチング素子のオン／オフ状態を適宜、切り替えることによって、第３巻線部β１を流れる電流の向きが切り替えられる。同様に、第７レグＬ７の上下のアームＡＨ７、ＡＬ７と、第８レグＬ８の上下のアームＡＨ８、ＡＬ８は、第４Ｈブリッジ回路ＨＣ４を構成しており、それらのスイッチング素子のオン／オフ状態を適宜、切り替えることによって、第４巻線部β２を流れる電流の向きが切り替えられる。

第２双方向スイッチＳＷβは、第１双方向スイッチＳＷαと同様、例えば、互いに並列のスイッチング素子とダイオードでそれぞれ構成された２組の回路を、互いに逆向きに直列接続したものである。２組のスイッチング素子の切替制御によって、第２双方向スイッチＳＷβを通る双方向の電流の流れを、オン状態とオフ状態に切り替えることが可能である。第２双方向スイッチＳＷβは、第３Ｈブリッジ回路ＨＣ３と第４Ｈブリッジ回路ＨＣ４の間、より具体的には、第６レグＬ６の中点Ｐ６と、第７レグＬ７の中点Ｐ７との間に配置されている。

制御装置３は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及び入出力インターフェース（いずれも図示せず）などを有するマイクロコンピュータで構成されている。この制御装置３によって、電力供給・充電回路２の第１～第４Ｈブリッジ回路ＨＣ１～ＨＣ４、第１及び第２双方向スイッチＳＷα、ＳＷβ、及びモータＭのロータ１０の停止位置などが制御される。

上記のように構成された電力供給・充電回路２では、バッテリーＢによるモータＭの駆動時に、第１及び第２双方向スイッチＳＷα、ＳＷβのオン／オフ状態を切り替えることによって、モータＭの巻線α、βの接続モードが、以下のような直列巻線モードと並列巻線モードに切り替えられる。

・直列巻線モード
図４に示すように、直列巻線モードでは、第１及び第２双方向スイッチＳＷα、ＳＷβをいずれもオン状態にするとともに、第１レグＬ１、第４レグＬ４、第５レグＬ５及び第８レグＬ８のスイッチング制御により、互いに直列の巻線αの第１巻線部α１及び第２巻線部α２と、互いに直列の巻線βの第３巻線部β１及び第４巻線部β２に、電力を供給する。これにより、この直列巻線モードでは、巻き数がより多い直列巻線に電流が流れることによって、より小さい電流でトルクを効率良く発生させることができ、低回転域において高いトルク性能を得ることができる。

・並列巻線モード
図５に示すように、並列巻線モードでは、第１及び第２双方向スイッチＳＷα、ＳＷβをいずれもオフ状態にするとともに、第１～第８レグＬ１～Ｌ８のスイッチング制御により、互いに並列の巻線αの第１巻線α１及び第２巻線α２と、互いに並列の巻線βの第３巻線β１及び第４巻線β２に、それぞれ電力を供給する。これにより、この並列巻線モードでは、一対の並列巻線にそれぞれ電流が流れることによって、全体として大きい電流でより大きい出力を発生させることができ、高回転域において高い出力性能を得ることができる。

次に、図６～図１４を参照して、充電システム１による充電動作について説明する。図６は、普通充電（ＡＣ充電）時における電力供給・充電回路２と外部電源４との接続状態、及びモータＭにおけるロータ１０の角度位置を示している。同図（ａ）に示すように、普通充電時には、外部電源４の２つの入出力端子４ａ、４ａが電線Ｗを介して第６レグＬ６の中点Ｐ６及び第７レグＬ７の中点Ｐ７に接続される。

また、モータＭのロータ１０は、その磁極の方向が巻線α又は巻線βと一致する角度位置で停止するように制御される。具体的には、例えば、ロータ１０の磁極の方向を、図６（ｂ）に示すように、第１巻線α１及び第２巻線α２を有する巻線αに一致させたり、同図（ｃ）に示すように、第３巻線β１及び第４巻線β２を有する巻線βに一致させたりするよう、ロータ１０の角度位置が制御される。そして、相互インダクタンスを、充電方式によって制御することで充電特性が向上する。例えば、図６及び図１６のＡＣ充電時には第３巻線β１及び第４巻線β２は力率改善回路として活用し、第１巻線α１及び第２巻線α２は絶縁双方向ＤＣ－ＤＣコンバータとして機能させるため、α相とβ相の相互インダクタンスを小さくする方が磁気干渉によるリプル電流が低減するため充電効率が向上する。

また、普通充電時には、第１及び第２双方向スイッチＳＷα、ＳＷβをいずれもオフ状態にするとともに、第２レグＬ２と第３レグＬ３との間の両コンタクタ８、８をいずれもオフ状態にする。

そして、普通充電時には、制御装置３により、上記の状態で、第１～第４Ｈブリッジ回路ＨＣ１～ＨＣ４のスイッチング素子のオン／オフ状態の切替制御を実行する。この場合、第３及び第４Ｈブリッジ回路ＨＣ３、ＨＣ４の第２回路７が、力率改善回路（ＰＦＣ回路）として機能する一方、第１及び第２Ｈブリッジ回路ＨＣ１、ＨＣ２の第１回路６が絶縁ＤＣ－ＤＣコンバータとして機能する。上記の第２回路７がＰＦＣ回路として機能することにより、外部電源４による交流電流の高調波成分を低減し、基調波の正弦波に近づけることができる。また、上記の第１回路６が絶縁ＤＣ－ＤＣコンバータとして機能することにより、第２回路７からの直流電流を所定電圧に変換し、効率良くバッテリーＢに充電することができる。

図７は、急速充電（ＤＣ充電・４００Ｖ）時における直列パターンの電力供給・充電回路２と外部電源４との接続状態、及びモータＭにおけるロータ１０の角度位置を示している。同図（ａ）に示すように、この急速充電時には、外部電源４の入出力端子４ａが、電線Ｗを介して、第４レグＬ４の中点Ｐ４及び第８レグＬ８の中点Ｐ８にそれぞれ接続され、外部電源４の入出力端子４ａが、電線Ｗを介して、第５レグＬ５の第５下アームＡＬ５と第６レグＬ６の第６下アームＡＬ６との間の所定点Ｑ１に接続される。

また、モータＭのロータ１０の角度位置は特に限定されないが、例えばロータ１０の磁極の方向が、巻線αと巻線βの間に位置する角度位置で停止するように制御される（図７（ｂ）、（ｃ）参照）。さらに、この急速充電では、第１及び第２双方向スイッチＳＷα、ＳＷβをいずれもオン状態にするとともに、第２レグＬ２と第３レグＬ３との間の両コンタクタ８、８をオン状態にする。

そして、制御装置３により、上記の状態で、第１～第４Ｈブリッジ回路ＨＣ１～ＨＣ４のスイッチング素子のオン／オフ状態の切替制御を実行する。図８は、図７の急速充電時における電力供給・充電回路２の動作を示している。図８に示すように、この急速充電時には、外部電源４からの直流電流が破線矢印のように流れるよう、各スイッチング素子のオン／オフ状態が切替制御され、それにより、インダクタとしての巻線αの第１及び第２巻線部α１、α２、並びに巻線βの第３及び第４巻線部β１、β２に電流が貯まる。そして、所定のスイッチング素子を切り替えることにより、昇圧された電流が図８の実線矢印のように流れ、バッテリーＢが充電される。なお、この場合、巻線α及びβに電流が流れるため、鉄損が発生するものの、モータＭの大きなインダクタンスを使用することができるため、電流リプルを低減することができる。

図９は、急速充電（ＤＣ充電・４００Ｖ）時における並列パターンの電力供給・充電回路２と外部電源４との接続状態を示している。同図に示すように、この急速充電時には、外部電源４の入出力端子４ａが電線Ｗを介して、第１及び第２双方向スイッチＳＷα、ＳＷβに接続されている。具体的には、両双方向スイッチＳＷα、ＳＷβにおいて、それぞれの２つのスイッチング素子間に、外部電源４の入出力端子４ａが接続される。なお、外部電源４の他の入出力端子４ａが、第７レグＬ７の第７下アームＡＬ７と第８レグＬ８の第８下アームＡＬ８との間の所定点Ｑ２に電線Ｗを介して接続される。

また、モータＭのロータ１０の角度位置は、前述した図７の急速充電時と同様、特に限定されない。さらに、この急速充電では、第１及び第２双方向スイッチＳＷα、ＳＷβをいずれもオン状態にするとともに、第２レグＬ２と第３レグＬ３との間の両コンタクタ８、８をオン状態にする。

そして、制御装置３により、上記の状態で、第１～第４Ｈブリッジ回路ＨＣ１～ＨＣ４のスイッチング素子のオン／オフ状態の切替制御を実行する。図１０は、図９の急速充電時における電力供給・充電回路２の動作を示している。図１０に示すように、この急速充電時には、外部電源４からの直流電流が破線矢印のように流れるよう、各スイッチング素子のオン／オフ状態が切替制御され、それにより、インダクタとしての巻線αの第１及び第２巻線部α１、α２、並びに巻線βの第３及び第４巻線部β１、β２に電流が貯まる。そして、所定のスイッチング素子を切り替えることにより、昇圧された電流が図１０の実線矢印のように流れ、バッテリーＢに充電される。なお、この場合、巻線αの第１巻線部α１と第２巻線部α２、及び巻線βの第３巻線β１と第４巻線β２では、互いに逆向きの電流が流れるため、モータＭ内で生じる磁束が打ち消され、鉄損を大幅に低減することができる。また、上記の手法は、磁気結合されていない、モータの漏れインダクタンス部で昇圧する仕組みである。

図１１は、急速充電（ＤＣ充電・４００Ｖ）時における他の並列パターンの電力供給・充電回路２と外部電源４との接続状態を示している。同図に示すように、この急速充電時には、外部電源４の入出力端子４ａが電線Ｗを介して、巻線αの第１巻線部α１及び第２巻線部α２、並びに巻線βの第３巻線部β１及び第４巻線部β２の一端部に接続されている。具体的には、第２レグＬ２の中点Ｐ２、第４レグＬ４の中点Ｐ４、第６レグＬ６の中点Ｐ６、及び第８レグＬ８の中点Ｐ８に、外部電源４の入出力端子４ａが接続される。なお、外部電源４の他の入出力端子４ａが、第７レグＬ７の第７下アームＡＬ７と第８レグＬ８の第８下アームＡＬ８との間の所定点Ｑ２に電線Ｗを介して接続される。

また、モータＭのロータ１０の角度位置は、前述した図７の急速充電時と同様、特に限定されない。さらに、この急速充電では、第１及び第２双方向スイッチＳＷα、ＳＷβをいずれもオフ状態にするとともに、第２レグＬ２と第３レグＬ３との間の両コンタクタ８、８をオン状態にする。

そして、制御装置３により、上記の状態で、第１～第４Ｈブリッジ回路ＨＣ１～ＨＣ４のスイッチング素子のオン／オフ状態の切替制御を実行する。図１２は、図１１の急速充電時における電力供給・充電回路２の動作を示している。図１２に示すように、この急速充電時には、外部電源４からの直流電流が破線矢印のように流れるよう、各スイッチング素子のオン／オフ状態が切替制御され、それにより、インダクタとしての巻線αの第１及び第２巻線部α１、α２、並びに巻線βの第３及び第４巻線部β１、β２に電流が貯まる。そして、所定のスイッチング素子を切り替えることにより、昇圧された電流が図１２の実線矢印のように流れ、バッテリーＢに充電される。

図１３は、超急速充電（ＤＣ充電・８００Ｖ）時における電力供給・充電回路２と外部電源４との接続状態を示している。同図に示すように、この超急速充電時には、前述した図７の急速充電時と同様、外部電源４の入出力端子４ａが、電線Ｗを介して、第４レグＬ４の中点Ｐ４及び第８レグＬ８の中点Ｐ８にそれぞれ接続され、外部電源４の他の入出力端子４ａが、電線Ｗを介して、第５レグＬ５の第５下アームＡＬ５と第６レグＬ６の第６下アームＡＬ６との間の所定点Ｑ１に接続される。

また、モータＭのロータ１０の角度位置は、前述した図７の急速充電時と同様、特に限定されない。さらに、この超急速充電では、第１及び第２双方向スイッチＳＷα、ＳＷβをいずれもオン状態にするとともに、第２レグＬ２と第３レグＬ３との間の両コンタクタ８、８をオン状態にする。

そして、制御装置３により、上記の状態で、第１～第４Ｈブリッジ回路ＨＣ１～ＨＣ４のスイッチング素子のオン／オフ状態の切替制御を実行する。図１４は、図１３の超急速充電時における電力供給・充電回路２の動作を示している。図１４に示すように、この超急速充電時には、外部電源４がバッテリーＢの電圧よりも高くなっており、それにより、外部電源４からの電流が実線矢印のように流れ、バッテリーＢに充電される。なお、図１４に代えて、図１７に示すように、外部電源４からの電流を流すようにしてもよい。

以上のように、本実施形態の充電システム１によれば、電動車に搭載される駆動用のモータＭ、及びインバータとしての電力供給・充電回路２を用い、ＤＣ充電による急速充電に加えて、ＡＣ充電による普通充電を行うことができる。それにより、充電システム１では、従来と異なり、車載充電器を省略できることで、充電システム全体の部品点数及びコストの低減を図ることができる。

なお、本発明は、説明した上記実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。

図１５は、第１巻線部α１と第２巻線部α２を、ステータ１１の共通のティースに巻き付けるとともに、第３巻線部β１と第４巻線部β２を、ステータ１１の共通のティースに巻き付けた状態を示している。同図に示す状態は、前述した図２と等価であり、また、モータＭは、巻線αと巻線βの位相角が電気角で９０度であれば、どのような構造でもよい。また、実施形態では、巻線方式について、１極対分の集中巻きであるが、これに代えて分布巻としてもよい。

また、普通充電の際に、図１６に示すように、外部電源４と電力供給・充電回路２の第２回路７とを接続してもよい。同図に示すように、具体的には、外部電源４の入出力端子４ａ、４ａを、実線で示す電線Ｗ１を介して、第２回路７における第５レグＬ５の中点Ｐ５、及び第３巻線部β１の中点Ｐ５側の端部に接続してもよい。なおこの場合には、上記中点Ｐ５と第３巻線部β１の上記端部との間に、コンタクタ８ａを設け、普通充電の際に、コンタクタ８ａにより、第３巻線部β１が第５レグＬ５の中点Ｐ５に対して取り外された状態となる。

さらに、上記に代えて、外部電源４の入出力端子４ａ、４ａを、二点鎖線で示す電線Ｗ２を介して、第２回路７における第７レグＬ７の中点Ｐ７、及び第４巻線部β２の中点Ｐ７側の端部に接続してもよい。なお、この場合には、上記中点Ｐ７と第４巻線部β２の上記端部との間に、コンタクタ８ｂを設け、普通充電の際に、コンタクタ８ｂにより、第４巻線部β２が第７レグＬ７の中点Ｐ７に対して取り外された状態となる。

前述した図６の普通充電時では、第３巻線部β１と第４巻線部β２のインダクタンスを使用する第２回路７をＰＦＣ回路として、第５レグＬ５及び第８レグＬ８を用いて、外部電源４からの交流を直流に変換するものである。しかし、第６レグＬ６や第７レグＬ７においてダイオードを介して電流が流れることで、制御性の悪化や無駄な電流が流れるおそれがある。そこで、このような不具合を解消するために、上述した図１６の外部電源４と第２回路７との接続により、普通充電時において、第４巻線部β２又は第３巻線部β１を使用せず、第２回路７をＰＦＣ回路として機能させてもよい。

また、電力供給・充電回路２で用いた第１及び第２双方向スイッチＳＷα及びＳＷβについては、図１８（ａ）に示すように、互いに並列のスイッチング素子とダイオードで構成された２組の回路を、ダイオードの順方向同士が接続されるようにしたが、同図（ｂ）に示すように、ダイオードの逆方向同士が接続されるようにすることも可能である。

さらに、上述した電力供給・充電回路２では、第１及び第２双方向スイッチＳＷα及びＳＷβを用いたが、これらの双方向スイッチＳＷα及びＳＷβを省略した電力供給・充電回路を採用することも可能である。

また、実施形態で示した充電システム１の細部の構成などは、あくまで例示であり、本発明の趣旨の範囲内で適宜、変更することができる。

１充電システム
２電力供給・充電回路（インバータ）
３制御装置
４外部電源
４ａ入出力端子
６第１回路
７第２回路
８コンタクタ
１０ロータ
１１ステータ
Ｍモータ
Ｂバッテリー
Ｗ電線
Ｗ１電線
Ｗ２電線
α１第１巻線部
α２第２巻線部
β１第３巻線部
β２第４巻線部
ＳＷα 第１双方向スイッチ
ＳＷβ 第２双方向スイッチ
ＨＣ１～ＨＣ４第１～第４Ｈブリッジ回路
ＡＨ１～ＡＨ８第１～第８上アーム
ＡＬ１～ＡＬ８第１～第８下アーム
Ｌ１～Ｌ８第１～第８レグ
Ｐ１～Ｐ８第１～第８レグの中点

Claims

電動車の駆動用のモータ及びインバータを用いて、外部電源からバッテリーに充電する電動車の充電システムであって、
前記モータは、
永久磁石を有するロータと、
このロータの外側に配置されたステータと、
このステータに巻き付けられ、前記ロータを間にした状態で互いに対向する第１巻線部及び第２巻線部を有する第１相の巻線と、
前記ステータに巻き付けられ、前記ロータを間にした状態で互いに対向する第３巻線部及び第４巻線部を有し、前記第１相の巻線に対して電気角で９０度ずれた状態で配置された第２相の巻線と、
を有しており、
前記インバータは、
前記バッテリーに互いに接続されるとともに、前記第１相の前記第１及び第２巻線部、並びに前記第２相の前記第３及び第４巻線部にそれぞれ接続された第１～第４Ｈブリッジ回路と、
前記第１及び前記第２巻線部を通る双方向の電流の流れ、並びに前記第３及び前記第４巻線部を通る双方向の電流の流れをそれぞれ、オン状態又はオフ状態に切り替える第１及び第２双方向スイッチと、
を有し、
前記第１～第４Ｈブリッジ回路は、スイッチング素子をそれぞれ有する上アーム及び下アームが中点で互いに接続された第１及び第２レグ、第３及び第４レグ、第５及び第６レグ、並びに第７及び第８レグをそれぞれ有し、
前記第１巻線部の一端及び他端に前記第１及び第２レグの前記中点がそれぞれ接続され、前記第２巻線部の一端及び他端に前記第３及び第４レグの前記中点がそれぞれ接続され、前記第３巻線部の一端及び他端に前記第５及び第６レグの前記中点がそれぞれ接続され、前記第４巻線部の一端及び他端に前記第７及び第８レグの前記中点がそれぞれ接続されており、
前記第１～第４Ｈブリッジ回路、前記第１及び第２双方向スイッチ、並びに前記ロータの停止位置を制御する制御装置を、備えており、
前記制御装置は、
ＤＣ充電時に、前記外部電源による直流電流を前記第１～第４巻線部に通電させるように制御することによって、前記バッテリーを充電し、
ＡＣ充電時に、前記外部電源を、前記第３巻線部及び／又は前記第４巻線部に電気的に接続するとともに、前記ロータを、所定位置に停止させるように制御することにより、前記バッテリーを充電し、
前記ＡＣ充電時に、前記第１及び第２双方向スイッチをいずれもオフ状態とし、前記第３及び第４Ｈブリッジ回路を力率改善回路として機能させるように制御するとともに、前記第１及び第２Ｈブリッジ回路を絶縁ＤＣ－ＤＣコンバータとして機能させるように制御し、前記第１及び第２Ｈブリッジ回路によって、前記第３及び第４Ｈブリッジ回路からの直流電流を所定電圧に変換することを特徴とする電動車の充電システム。
電動車の駆動用のモータ及びインバータを用いて、外部電源からバッテリーに充電する電動車の充電システムであって、
前記モータは、
永久磁石を有するロータと、
このロータの外側に配置されたステータと、
このステータに巻き付けられ、第１巻線部及び第２巻線部を有する第１相の巻線と、
前記ステータに巻き付けられ、第３巻線部及び第４巻線部を有し、前記第１相の巻線に対して電気角で９０度ずれた状態で配置された第２相の巻線と、
を有しており、
前記インバータは、
前記バッテリーに互いに接続されるとともに、前記第１相の前記第１及び第２巻線部、並びに前記第２相の前記第３及び第４巻線部にそれぞれ接続された第１～第４Ｈブリッジ回路と、
前記第１及び前記第２巻線部を通る双方向の電流の流れ、並びに前記第３及び前記第４巻線部を通る双方向の電流の流れをそれぞれ、オン状態又はオフ状態に切り替える第１及び第２双方向スイッチと、
を有し、
前記第１～第４Ｈブリッジ回路は、スイッチング素子をそれぞれ有する上アーム及び下アームが中点で互いに接続された第１及び第２レグ、第３及び第４レグ、第５及び第６レグ、並びに第７及び第８レグをそれぞれ有し、
前記第１巻線部の一端及び他端に前記第１及び第２レグの前記中点がそれぞれ接続され、前記第２巻線部の一端及び他端に前記第３及び第４レグの前記中点がそれぞれ接続され、前記第３巻線部の一端及び他端に前記第５及び第６レグの前記中点がそれぞれ接続され、前記第４巻線部の一端及び他端に前記第７及び第８レグの前記中点がそれぞれ接続されており、
前記第１～第４Ｈブリッジ回路、並びに前記第１及び第２双方向スイッチを制御する制御装置を、備えており、
前記制御装置は、
ＡＣ充電時に、前記外部電源を、前記第３巻線部及び／又は前記第４巻線部に電気的に接続するように制御することにより、前記バッテリーを充電し、
前記ＡＣ充電時に、前記第１及び第２双方向スイッチをいずれもオフ状態とし、前記第３及び第４Ｈブリッジ回路を力率改善回路として機能させるように制御するとともに、前記第１及び第２Ｈブリッジ回路を絶縁ＤＣ－ＤＣコンバータとして機能させるように制御し、前記第１及び第２Ｈブリッジ回路によって、前記第３及び第４Ｈブリッジ回路からの直流電流を所定電圧に変換することを特徴とする電動車の充電システム。
前記制御装置は、ＤＣ充電時に、前記外部電源による直流電流を前記第１～第４巻線部に通電させるように制御することによって、前記バッテリーを充電することを特徴とする請求項２に記載の電動車の充電システム。