JPH04138004A - 電気自動車用充電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、電気自動車の駆動電力源である主バッテリを
充電する電気自動車用充電装置に関する。

［従来の技術］ 第７図には、従来の電気自動車の一例構成が示されてい
る。

この従来例は、電気自動車１０を駆動するための電力源
として主バッテリ１２を備えている。主バッテリ１２は
所定値の直流電圧を出力するバッテリである。

主バッテリ１２の後段には、電力変換器１４が接続され
ている。電力変換器１４は、主バッテリ１２からの直流
電圧を交番する三相電流に変換する装置である。電力変
換器１４により得られる三相電流ＩＩＩ　　は、モータ
１６に供給さＵ・　　Ｖｔ　Ｗ れる。

モータ１６は、三相の交流誘導電動機である。

従って、三相電流ＩＩＩ　　が固定子巻線Ｕ″　Ｖ′Ｗ に供給されると回転駆動する。

また、モータ１６は、変速機１８を介してギヤ２０に連
結されている。従って、モータ１６が回転駆動している
ときにクラッチミートされていれば、モータ１６による
駆動力が変速機１８、ギヤ２０、車軸２１を介してホイ
ール２２を回転させる。このようにして、モータ１６の
駆動により電気自動車１０が走行する。

また、この従来例においては制御部２４か設けられてい
る。制御部２４は、前述の電力変換器１４を制御する装
置である。電力変換器１４は、通常インバータ回路で構
成されているため、このインバータ回路のスイッチング
素子を制御するこＵ’Ｖ”Ｗの実効値を制 とにより三相電流ＩＩ 御できる。このことに基づき、制御部２４は、電力変換
器１４から出力される三相電流ＩＩＵ’　　Ｖ・ Ｉｗの値を検出すると共にＰＧ２４によりモータ１６の
回転数を取り込み、三相電流ＩＵＩＶ。

Ｉｗを車両操縦者のアクセル開度等に応じてベクトル制
御する。このように、主バッテリ１２の電圧はモータ１
６を駆動させ、制御部２４はモータ１６の駆動を制御す
る。制御部２４は、前述の変速機１８をオン／オフ制御
する。

ところで、主バッテリ１２は金属臭素電池等の充電を必
要とするバッテリである。すなわち、定時間継続して使
用すると主バッテリ１２は放電し、電圧低下してモータ
１６の駆動に必要な電力を供給できないようになる。こ
のため、従来から主バッテリ１２を充電する充電器２８
が必須とされている。

第８図には、この従来例の回路構成、特にモータ１６、
電力変換器１４及び充電器２８の回路構成が示されてい
る。

モータ１６は、固定子３０及び回転子３２を有している
。外側に配置されている固定子３０は、Ｙ結線された固
定子巻線３４Ｕ、３４Ｖ、３４Ｗを有している。固定子
巻線３４Ｕ、３４Ｖ、３４Ｗは、例えば、固定子３０に
設けられたスロットに所定態様で捲回される。また、回
転子３２は例えば電型回転子として構成される。

電力変換器１４は、前述のようにインバータ回路として
構成されている。この従来例ではモータ１６が三相であ
るので、一対のスイッチング用のトランジスタ３６及び
一対のダイオード３８が、モータ１６の各相に対応して
合計３組、並列に結線されている。各組のトランジスタ
３６及びダイオード３８の接続中点は、それぞれ固定子
巻線３４Ｕ、３４Ｖ、３４Ｗのいずれかに接続されてい
る。また、Ｕ、Ｖ、Ｗ各相のトランジスタ３６には、制
御部２４から制御信号Ｕ、、ＵＮ、Ｖ、。

ＶＮ、Ｗ、、ＷＮが供給される。これらの制御信号は、
それぞれ異なるトランジスタ３６に供給され、トランジ
スタ３６のオン／オフを制御する。

従って、モータ１６を回転駆動させる際には、主バッテ
リ１２の電圧が電力変換器１４に供給され、制御部２４
が制御信号Ｕ、、ＵＮ、Ｖ、。

■Ｎ、ＷＰ、ＷＮを発してトランジスタ３６のオン／オ
フ状態を制御する。この制御は、三相電流ＩＵ、Ｉｖ１
１ｗが交番するように実行される。

このようにして得られた交番する三相電流ＩＵ。

ＩＩ　　は、モータ１６の固定子巻線３４Ｕ。

Ｖ・　Ｗ ３４Ｖ、３４Ｗに供給される。この結果、モータ１６内
部には回転磁界が発生し、回転子３２が回転する。この
回転は、ホイール２２を回転させる駆動力となる。

一方、充電器２８は、三相トランス４０及び整流器４２
から構成されている。三相トランス４０の１次側には充
電コネクタ４４が設けられ、２次側には整流器４２が接
続されている。整流器４２は、主バッテリ１２に接続さ
れている。

従って、主バッテリ１２を充電する際には充電コネクタ
４４に三相２００Ｖの交流電源が接続され、この電圧が
三相トランス４０により変圧される。変圧された電圧は
、整流器４２により三相全波整流され、この結果得られ
る直流電流により主バッテリ１２が充電される。

このように、従来、主バッテリ１２を充電するために充
電器２８が用いられていた。

しかし、この充電器２８は、トランス４ｏを有している
。一般に、トランス４０は７０〜８０ｋｇ程度の重量を
存しており、充電器２８を備える結果電気自動車１０の
重量化が生じてしまう。

さらに、充電器２８を搭載することにより電気自動車１
０の製造コストが増加し、大きな搭載スペースが必要と
なるという問題が生じていた。

このような問題点を解決するために、本願出願人は先に
、主バッテリを充電するための電流を外部電源から電力
変換器を介して供給する装置を提案している（実開昭６
３−４４６４３号公報）。

この装置においては、電力変換器を構成するインバータ
回路を、その本来の用途である電力変換のほか、主バッ
テリの充電に係る整流器としても用いている。すなわち
、電力変換器の出力側にスイッチを設け、主バッテリの
充電時にはこのスイッチを切り替えて電力変換器の出力
側に交流電源を接続する。電力変換器は、インバータ回
路として構成されダイオードを含むため、交流電源から
の電圧を整流する整流器として機能させることができる
。従って、交流電源の出力を整流して主バッテリを充電
することができる。

この結果、前述の従来例における充電器２８の一部機能
が電力変換器により担われることとなるため、軽量化、
コストダウン及び搭載スペースの削減が可能となる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、電力変換器に電力変換及び整流の両機能
を担わせる構成においても、トランスによる重量化等の
問題点が生じ得る。

すなわち、主バッテリを充電する場合にはその充電電圧
は主バッテリの規格に応じた値でなくてはならない。従
って、電流変換器を整流器として用い主バッテリを充電
する場合には、電力変換器に入力される交流電圧は所定
の値である必要がある。ところが、この電圧は一般的に
いわゆる商用電圧とは一致せず、商用電源を用いるため
には商用電圧を充電に必要な電圧に変圧するトランスが
必要となる。この結果、ががる構成においてもトランス
による重量化、コストアップ及びスペース効率の劣化等
の問題点が生ずることになる。

ところで、本願出願人は、先にモータの固定子を変圧器
構造にした電気自動車用駆動装置を提案している（特願
平１−２１５７０６号）。第９図には、この装置の構成
が示されている。

この図に示される参考装置においては、モータ４６が２
種類の固定子巻線を備えている。この２種類のうち１次
コイル３４Ｕ、３４Ｖ、３４Ｗは、第７図及び第８図に
示される従来例における固定子巻線と同様の機能を有し
ている。もう一方の固定子巻線である２次コイル４８Ｕ
、４８Ｖ　　４８Ｗは、それぞれ１次コイル３４Ｕ、３
４Ｖ、３４Ｗに近接して、例えば、固定子３ｏの同一ス
ロット中に、配置される。

この参考装置は、いわゆる補機バッテリを充電するため
の電力を２次コイル４８Ｕ、４８Ｖ、４８Ｗにより得る
装置である。すなわち、１次コイル３４Ｕ、３４Ｖ、３
４Ｗ及び２次コイル４８Ｕ。

４８Ｖ、４８Ｗにより三相トランスが構成されてイルた
め、１次コイル３４Ｕ、３４Ｖ、３４Ｗｌ：三相電流Ｉ
Ｕ、１ｖ、Ｉｗが供給されると２次コイル４８Ｕ、４８
Ｖ、４８Ｗには巻数比に応じた電圧が誘起される。この
誘起された電圧は、整流器５０により整流され、出力調
整トランジスタ５２を含む定電圧回路５４により定電圧
化され、補機バッテリ５６が充電される。補機バッテリ
５６は、電気自動車の電気的補機（ランプ、主バッテリ
１２のポンプ等）に動作電力を供給する。

本発明は、主バッテリを充電する装置において従来生じ
ていた問題点を、先に提案した参゛考装置の一部構造を
応用して解決することを目的とする。

すなわち、モータとして変圧器構造の固定子を有するモ
ータを用い、電気自動車の重量化・コストアップを生じ
させること無く、主バッテリを充電することを可能にす
ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ このような目的を達成するために、本発明の電気自動車
用充電装置は、２次コイルの一端に設けられ外部電源が
接続される充電コネクタを備え、制御部が、充電コネク
タに外部電源か接続されたことを検知する手段と、充電
コネクタに外部電源が接続されたときに、電力変換器の
スイッチング素子を制御して電力変換器による交流電圧
への変換出力を停止させ、１次コイルの電圧を整流して
主バッテリに供給させる手段と、を備えることを特徴と
する。

［作用］ まず、本発明の電気自動車用充電装置におけるモニタ駆
動時の動作について説明する。

モータ駆動時においては、主バッテリの出力電圧が電力
変換器により所定相数の交番する交流電圧に変換され、
モータに出力される。この時の電力変換器の動作は、制
御部によるスイッチング素子の制御の下に行われる。

電力変換器から出力される交流電圧は、モータの１次コ
イルに供給される。１次コイルに交流電圧が供給される
と、モータは回転駆動する。

次に、主バッテリ充電時の動作について説明する。

主バッテリ充電時においては、例えば車両操縦者により
充電コネクタに外部電源が接続される。

従って、外部電源からの電圧が充電コネクタを介して２
次コイルに供給される。２次コイルは１次コイルに近接
配置されているため、２次コイルの電圧により１次コイ
ルに電圧が誘起する。誘起した電圧は、電力変換器の一
端（モータ駆動時における交流電圧の出力端）に印加さ
れる。

一方、制御部は、充電フネクタに外部電源が接続された
ことを検知して、電力変換器を整流器として機能させる
。すなわち、少なくとも１次コイル側からみた等価回路
が整流器の回路構成となるよう、電力変換器のスイッチ
ング素子を制御する。

電力変換器による等測的整流器の整流機能は、整流素子
によって担われる。

従って、このとき、１次コイルの電圧が整流されて主バ
ッテリに供給されることになる。

このように、本発明においては、モータが逆方向に使用
され変圧器として機能させると共に、電力変換器が逆方
向に使用され整流器として用いられる。この結果、主バ
ッテリの充電に必要な構成、特に重量部材である変圧器
を排除して、従来より軽量、小型及び安価に装置が構成
される。

［実施例コ 以下、本発明の好適な実施例について図面に基づき説明
する。なお、第７図乃至第９図に示される従来例及び参
考例と同様の構成には同一の符号を付し説明を省略する
。

第１実施例の構成 第１図には、本発明のＭｌ実施例に係る電気自動車用充
電装置の構成が示されている。

この図に示される装置は、Ｍ７図に示される従来例と同
様、主バッテリ１２、電力変換器１４及びモータ１６を
備えている。さらに、外部電源（ＡＣ２００Ｖ三相）が
接続される充電コネクタ４４を備え、本発明において特
徴とするところの充電時制御を行う制御部５８を備えて
いる。また、後述するように、充電コネクタ４４への外
部電源の接続を検知すべく、制御部５８が充電コネクタ
４４に接続されている。

第２図には、この実施例の回路構成が示されている。

この図に示されるように、本実施例におけるモータ４６
は参考例におけるモータと同様固定子が三相トランスの
構造を有している。すなわち、固定子３０は２種類の固
定子巻線（１次コイル３４Ｕ、３４Ｖ、３４Ｗ及び２次
コイル４８Ｕ、４８Ｖ、４８Ｗ）を有しており、１次コ
イル３４Ｕ。

３４Ｖ、３４Ｗ及び２次コイル４８Ｕ、４８Ｖ。

４８Ｗは各相ごとに近接配置されている。

しかし、この実施例の場合、参考例と異なり２次コイル
４８Ｕ、４８Ｖ、４８Ｗは補機バッテリの充電系統には
接続されず、充電コネクタ４４に接続されている。この
充電コネクタ４４は、モータ４６の駆動時には開放され
、主バッテリ１２の充電時には外部電源６０が接続され
る。

第１実施例の動作 次に、この実施例の動作について説明する。第３図には
本実施例のモータ４６駆動時の動作が、第４図には主バ
ッテリ１２充電時の動作が、第５図には制御部５８の動
作の流れが、それぞれ示されている。

第５図に従い説明すると、この実施例においては、制御
部５８はまず充電コネクタ４４に外部電源６０が接続さ
れているか否かを判定する（１００）。すなわち、充電
コネクタ４４に車両操縦者が外部電源６０を接続したこ
とを検知する。

通常のモータ４６駆動の場合には、充電コネクタ４４に
は外部電源６０か接続されないため、制御部５８はモー
タ４６駆動時の動作に移行する。

（１）モータ駆動時の動作 この場合、変速機１８がドライブモードに入っていれば
、モータ１６がホイール２２に機械的に連結され、電気
自動車１０は走行可能な状態となる。

制御部５８は電力変換器１４を制御してモータ４６を駆
動する（１０２）。この制御は、従来におけるモータ駆
動制御と同様の制御である。従って、トランジスタ３６
は、各相の１次コイル３４Ｕ、３４Ｖ、３４Ｗに流れる
電流ＩＵ、Ｉｖ。

Ｉｗが交番するようオン／オフ制御される。

すなわち、第３図に示されるように、主バッテリ１２か
らの電圧は電力変換器１４により交番する三相電流ＩＵ
、Ｉヮ、Ｉｗに変換される。例えば、６個のトランジス
タ３６のうち、Ｕ相の＋側、■相の一側及びＷ相の一側
のトランジスタ３６をオンさせ、他のトランジスタ３６
をオフさせると、Ｕ相の１次コイル３４Ｕに流れる電流
ＩＵと、他の１次コイル３４Ｖ、３４Ｗに流れる電流Ｉ
ｖ。

■　と、は逆相になる。このとき、電流ＩＵ。

ＩＩ　　が所望の電流値になるよう、例えばＰＶ′　Ｗ ＷＭ変調された制御信号Ｕ、を発生させ、さらに、オン
させるトランジスタ３８を各相巡回的にシフトさせてい
けば、電流ＩＩＩ　　が交番すＵ’　　Ｖ’　　Ｗ る。

この結果、モータ４６の内部には回転磁界が発生して、
回転子３２が回転し、電気自動車１０の駆動力が発生す
る。この後、制御部５８は、判定１００に戻り動作を継
続する。

（２）主バッテリ充電時の動作 判定１００において充電コネクタ４４に外部電源６０が
接続されているとされた場合、制御部５８は主バッテリ
１２充電時の動作に移行する。

この動作は、本発明の特徴に係る動作である。

この場合、変速機１８がニュートラルになっているか否
かを判断する（１０４）。これにより、充電中に走行す
ることがなくなる。すなわち、ニュートラルでない場合
には警告ブザーが発せられ（１０６）、充電動作に移行
しない。従って、モータ１６とギア２０が連絡されてお
らずモータ１６が回転しても電気自動車１０が動かない
場合にのみ、以下の動作が実行される。

この状態においては、外部電源６０からＡＣ２００ｖが
２次コイル４８Ｕ、４８Ｖ、４８Ｗに印加されているた
め、この２次コイル４８Ｕ。

４８Ｖ、４８Ｗにそれぞれ近接して配置されている各相
の１次コイル３４Ｕ、３４Ｖ、３４Ｗｌ：ｌ；！、変圧
比に応じて電圧が誘起される。すなわち、Ｖｌ−ａＶ２
　　　　　　　　　（１）の関係が成立する。ただし、
ａは変圧比、Ｖ２は外部電源６０から各相の２次コイル
４８Ｕ、４８Ｖ、４８Ｗに印加される電圧、ｖｌは１次
コイル３４Ｕ、３４Ｖ、３４Ｗに誘起される電圧である
。

この後、制御部４８は、電力変換器１４のトランジスタ
３６をオフさせる（１０ｇ）。これにより、第４図に示
されるように、電力変換器１４はダイオード３８のみか
ら構成される回路と等化な作用を奏すると見なすことが
できるようになる。

すなわち、トランジスタ３６がオフの状態では、電力変
換器１４は三相全波整流器として機能する。

電圧値の関係でいうと、電流変換器１４について次の関
係が成り立つ。

ＥＤ−１，３５Ｖ１ ＝　１　、３５　ａ　Ｖ　２　　　　　　　（２）ただ
し、１．３５は電力変換器１４による係数である。

このようにして得られる直流電圧ＥＤは、主バッテリ１
２に供給され、主バッテリ１２が充電される（１１０）
。なお、直流電圧ＥＤは、主バッテリ１２を充電するの
に十分な値を有するようにしなければならない。このた
め、直流電圧ＥＤかｖＢくＥＤ の関係を満たし、かつ主バッテリ１２の性能劣化等を引
き起こさない値となるよう、変圧比ａ（したがって巻数
比）を設定する必要がある。

この後、制御部５８は判定１００に戻り動作を継続する
。

第１実施例の効果 このように、本実施例においては、モータ４６を三相ト
ランスとして用いて外部電源６０の電圧を変圧し、トラ
ンジスタ３６をオフさせて電力変換器１４を整流器とし
て用いるようにしたため、従来主バッテリ１２を充電す
るために用いられていた充電器、とくにトランスが不要
となる。

これにより、電気自動車１０における装置の搭載スペー
スが低減するとともに、電気自動車１０の軽量化を実現
できる。電気自動車１０の軽量化は、主バッテリ１２の
１回充電当たりの走行継続距離が延長される。このよう
に、電気自動車１０のエネルギー使用効率が向上する。

また、充電器が不要になることにより、充電器の部品コ
スト及びその製造・取付に係るコストが低減される。こ
の結果、電気自動車１０を安価に製造可能となる。

また、このような効果をトランジスタ３６のオン／オフ
制御という簡易な手段で実現できる。

さらには、主バッテリ１２充電時において１次コイル３
４Ｕ、３４Ｖ、３４Ｗに電流が流れるためモータ４６が
駆動しうるが、このとき変速機１８がニュートラルにな
っているため、車両が走行することがなく、安全性が高
い。

第６図には、本発明の第２実施例に係る電気自動車用充
電装置の構成が示されている。この実施例は、第９図に
示される参考例と第′１実施例とを組み合わせ、切り替
え動作させるようにした装置である。

すなわち、２次：ｚ’ル４８Ｕ、４８Ｖ、４８Ｗには、
切り替えスイッチ６２が接続されており、この切り替え
スイッチ６２は２次コイル４８Ｕ。

４８Ｖ、４８Ｗを整流部５０と充電コネクタ４４との間
で切り替え接続する。

この実施例の装置において、モータ４６を駆動させる際
には、切り替えスイッチ６２が整流部５０側に倒される
。この場合の動作は、参考例の動作と同様である。すな
わち、１次コイル３４Ｕ。

３４Ｖ、３４Ｗに電力変換器１４から供給される電流１
　ｕ、　　ｒ　ｖ、　　Ｉ　ｗにより２次コイル４８Ｕ
。

４８Ｖ、４８Ｗｉ：電流が流れる。この電流は、整流部
５０により整流され、定電圧回路５４により定電圧化さ
れ、補機バッテリ５６が充電される。

また、主バッテリ１２を充電する際には、切り替えスイ
ッチ６２が充電コネクタ４４側に倒される。この場合の
動作は、第１実施例における主バッテリ１２充電時の動
作と同様である。すなわち、外部電源６０の電圧により
１次コイル３４Ｕ。

３４Ｖ、３４Ｗに電圧が誘起し、電力変換器１４が整流
器として働き、主バッテリ１２が電力変換器１４により
整流された電圧で充電される。

この実施例においては、従って、第１実施例において得
られる効果が同様に得られると共に、参考例における効
果をも得ることができる。すなわち、補機バッテリ５６
を充電するためのＤＣ−ＤＣコンバータを廃止でき、軽
量化が実現される。

また、例えば制動時のように主バッテリ１２とモータ４
６の接続を断っている場合に２次コイル４８Ｕ、４８Ｖ
、４８Ｗにより回生制動を行うことができる。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明によれば、変圧器構造を有
するモータを逆方向に用いかつ電力変換器を整流器とし
て機能させて主バッテリの充電を行うように構成したた
め、従来主バッテリの充電に用いられていた充電器、と
くに変圧器を廃止することができ、電気自動車の軽量化
及び低価格化、電気自動車への搭載スペースの削減が可
能になる。

とくに、駆動電力の大きいモータを用いる場合、これら
の効果は著しくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例に係る電気自動軍用充電
装置の構成を示す図、 第２図は、この実施例の回路構成を示す図、第３図は、
この実施例のモータ駆動時の動作を示す図、 第４図は、この実施例の充電時の動作を示す図、第５図
は、この実施例における制御動作を示すフローチャート
図、 第６図は、本発明の第２実施例に係る電気自動車用充電
装置の構成を示す図、 第７図は、−従来例に係る電気自動車用駆動装置の構成
を示す図、 第８図は、この従来例の回路構成を示す図、第９図は、
本願出願人が先に出願した電気自動車用駆動装置の構成
を参考例として示す図である。 １０　・・・　電気自動車 １２　・・・　主バッテリ １４　・・・　電力変換器 １６　・・・　モータ ４４　・・・　充電コネクタ ５８　・・・　制御部 ３４Ｕ、３４Ｖ、３４Ｗ−１次コイル ４８Ｕ、４８Ｖ、４８Ｗ−２次コイル ６０　・・・　外部電源

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 所定個数のスイッチング素子及び整流素子を含み主バッ
   テリに接続される電力変換器と、電力変換器のスイッチ
   ング素子を制御して、電力変換器により主バッテリの出
   力電圧を所定相数の交番する交流電圧に変換出力させる
   制御部と、所定本数の１次コイル及びこの１次コイルに
   近接して配置される所定本数の２次コイルを含み１次コ
   イルへの交流電流の供給により回転駆動するモータと、
   を有する装置において、 ２次コイルの一端に設けられ外部電源が接続される充電
   コネクタを備え、 制御部が、 充電コネクタに外部電源が接続されたことを検知する手
   段と、 充電コネクタに外部電源が接続されたときに、電力変換
   器のスイッチング素子を制御して電力変換器による交流
   電圧への変換出力を停止させ、１次コイルの電圧を整流
   して主バッテリに供給させる手段と、 を備えることを特徴とする電気自動車用充電装置。