JPH06217416A - 電気自動車駆動システム用の再構成可能なインバーター装置 - Google Patents

電気自動車駆動システム用の再構成可能なインバーター装置

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JPH06217416A
JPH06217416A JP5107532A JP10753293A JPH06217416A JP H06217416 A JPH06217416 A JP H06217416A JP 5107532 A JP5107532 A JP 5107532A JP 10753293 A JP10753293 A JP 10753293A JP H06217416 A JPH06217416 A JP H06217416A
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storage battery
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JP5107532A
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Theodore M Heinrich
マイケル ハインリッヒ セオドル
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Original Assignee
Westinghouse Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 多相交流モーターに給電するため車に搭載し
た蓄電池からの直流を変換するかまたは外部エネルギー
供給源から蓄電池を充電するかのいずれかのモードで選
択的に動作できるかかるインバーター装置を提供する。 【構成】 インバーター装置は駆動すべきモーターの相
巻線の総数に等しい数のインバーター極（Ａ´，Ｂ´，
Ｃ´）を含む。蓄電池充電モードにインバーター装置を
再構成するため、一部の回路素子間の接続態様を変える
スイッチング手段を設ける。スイッチ（５４，５５）に
よりインバーター極のうちの２つの極の交流端子（５
０，５１）を対応のモーター相巻線から切り離し、外部
エネルギー供給源（５２）からの電流供給手段に接続す
る。また、スイッチ（６３）によりインバーターの正の
直流レール（４８）を正の蓄電池端子（１９）から切り
離す。さらにまた第３極の交流端子（６６）から正の蓄
電池端子（１９）に至る電流路（６５）を成立させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は電気自動車駆動システム
用インバーター装置に関し、さらに詳細には多相交流モ
ーターに給電するため車に搭載した蓄電池からの直流を
変換するかまたは外部エネルギー供給源から蓄電池を充
電するかのいずれかのモードで選択的に動作できるかか
るインバーター装置に係わる。
【０００２】
【従来の技術】実用的な電気自動車の開発にあたり多く
の重要な技術的課題が提示されている。これらの課題を
解決するための努力はこれまで効率の向上に向けられて
きた。その結果、重量の軽減が最大の関心事となってい
る。また、電気自動車は広範囲の速度及びトルク条件に
亘って動作できるものでなければならない。
【０００３】公知の電気自動車用駆動システムのうちに
は電気機械的エネルギー・コンバーターとして多相交流
モーターを採用しているものがある。確かにこのような
駆動システムは効率が比較的高く、制御特性も優れてい
ることが知られている。しかし、モーターを瞬時的な速
度及びトルク条件に応答させるためには、交流の電圧及
び周波数が可変でなければならない。この変換を行なう
機構としてパルス幅変調（“ＰＷＭ”）インバーターを
利用するのが普通である。このようなインバーターはパ
ワー・エレクトロニクスの分野で公知である。
【０００４】電気自動車の効率をいかに高めても蓄電池
の再充電は不可避である。この再充電は多くの場合特殊
な外部設備を必要とする。従って、電気自動車の実用性
を高めるためには、蓄電池の再充電に必要な回路を“車
に”搭載することが望まれる。これによって手近な外部
エネルギー供給源から車への直接的な再充電が可能にな
る。このようなシステムは米国特許第４，１３６，３８
２号に開示されている。しかし、車に搭載される典型的
な充電システムは車の総重量を増大させるに過ぎない。
即ち、加速時間を長くし、走行距離を縮める要因となる
重量に目をつむって便利性だけを高める結果となってい
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、選択的に定
常駆動モードまたは蓄電池充電モードで動作できる電気
自動車駆動システム用インバーター装置を提供する。駆
動モードでは、インバーターが車に搭載されている蓄電
池からの直流を駆動モーターを作動させるための多相交
流に変換する。蓄電池充電モードではインバーターが外
部エネルギー供給源から充電電流を取り出してこれを充
電電流として蓄電池に供給する。
【０００６】インバーター装置は一般に駆動すべきモー
ターの相巻線の総数に等しい数のインバーター極を含
む。好ましい実施例では、インバーターが３相モーター
を駆動するため３つの極を持つ。他の実施例では、イン
バーターが１対の別々に励磁可能な３相巻線を備えたモ
ーターを駆動できる６つの極を持つ。
【０００７】蓄電池充電モードで使用できるようにイン
バーター装置を再構成するため、一部の回路素子間の接
続態様を変えるスイッチング手段を設ける。具体的に
は、スイッチがインバーター極のうちの２つの極の交流
端子を対応のモーター相巻線から切り離し、外部エネル
ギー供給源からの電流を供給する手段に接続する。さら
にまた、インバーターの正の直流レールを正の蓄電池端
子から切り離すのが普通である。充電電流手段はスイッ
チング手段に応答して選択的に第３極の交流端子から陰
極に至る電流路を成立させるのが一般的な構成である。
これに代わる構成として、第３の交流インバーター端子
から正の蓄電池端子に至る電流路内にダイオードを直列
接続することにより機械的スイッチング手段を不要にす
ることも可能である。本発明ではスイッチの数が公知シ
ステムの場合よりも少なくて済む。
【０００８】以下、添付図面を参照して本発明を実施例
につき説明する。
【０００９】
【実施例】図１は公知技術に使用されているのと同様の
ＰＷＭインバーター装置１０を示す。装置１０は一般に
蓄電池１２からの直流を駆動モーター１４が必要とする
３相交流に”変換する”。装置１０は一般に直流レール
１６と１７の間に配線されたインバーター極Ａ，Ｂ及び
Ｃを含む。高電圧（または“正の”）レール１６は蓄電
池１２の正端子と接続し、低電圧（または“負の”）レ
ール１７は負端子２０と接続する。
【００１０】極Ａはレール１６と１７の間に直列接続さ
れた１対の極スイッチ２２及び２３を有する。モーター
１４の相巻線の１つと接続する交流端子２４はスイッチ
２２と２３の間の接続点によって画定される。極Ｂも１
対の直列に接続された極スイッチ２７及び２８を有し、
この両スイッチ間に交流端子２９が画定される。同様
に、極Ｃのスイッチ３２及び３３が交流端子３４を画定
する。
【００１１】それぞれの極スイッチはパルス幅変調器２
６からの起動信号によってゲートされる半導体スイッチ
ング素子を有する。この半導体スイッチング素子は極ス
イッチ２２のＩＧＢＴ３７のような絶縁ゲートバイポー
ラートランジスター（ＩＧＢＴ）で構成するのが普通で
ある。各ＩＧＢＴは２つの制御端子を有し、一方はゲー
トに、他方はエミッターに接続されている。ゲートがエ
ミッターに対して正ならばＩＧＢＴは“オン”、ゲート
がエミッターに対して負ならばＩＧＢＴは“オフ”とな
る。従って、例えばライン３８のような起動信号ライン
は実際には２本のワイヤーより成るラインである。それ
ぞれのスイッチは対応のスイッチング素子に配線された
例えばダイオード３９のような逆並列ダイオードをも含
む。極のスイッチング特性に非直線性がある場合、この
ために発生する調波をフィルタリングするためのコンデ
ンサー４０を設ける。
【００１２】このように構成されたインバーター１０は
蓄電池電圧を交番極性で、または０ボルトを高速印加し
て低周波波形に近付ける３相ブリッジである。パルス幅
変調器３６は要求される速度及びトルク条件に基づいて
起動信号の特性を変えることができるから、装置１０の
ようなＰＷＭインバーターは駆動モーターを閉ループ制
御する場合に使用されることが多い。
【００１３】極を１対だけ用いて３相モーターを駆動で
きるインバーター装置を構成することも可能である。こ
のような２極式インバーター装置では単一のコンデンサ
ー４０ではなく、１対の直列接続されたコンデンサーを
用いる。両コンデンサー間の接続点が第３の交流端子を
画定する。
【００１４】ＰＷＭインバーターがいずれの極性の電力
潮流にも対応できることは周知の通りである。特定の極
スイッチのＩＧＢＴが“オン”ならば、電流はどちらの
方向にも流れることができる。即ち、電流はＩＧＢＴを
通って１つの方向に、逆並列ダイオードを通って反対方
向に流れることができるからである。しかし、ＩＧＢＴ
が“オフ”ならば、ダイオードはトランジスターに現わ
れるコレクター電圧によってブロック状態になる。電力
は電圧と電流の積であるから、電力は正負いずれの極性
を帯びることが可能であり、極性はＰＷＭインバーター
出力電圧と負荷との関係によって決定される。従って、
必要ならば制動時にモーター１４を発電機として用いる
ことによって蓄電池を再充電することができる。この方
式は公知であり、再生モードと呼ばれる。
【００１５】本発明はＰＷＭインバーターが逆方向のエ
ネルギーを受け入れる能力を持つことを利用して、外部
エネルギー供給源による蓄電池の充電を可能にする。図
２に示すように、再構成可能なインバーター装置４２を
定常駆動モードまたは蓄電池充電モードで動作させるス
イッチング手段を設ける。インバーター装置４２は装置
１０の極Ａ，Ｂ及びＣと同様に構成した極Ａ´，Ｂ´及
びＣ´を含む。極Ａ´，Ｂ´及びＣ´の極スイッチはパ
ルス幅変調器４４からの起動信号によってゲートされ
る。
【００１６】図示の蓄電池充電モードでは、負の直流レ
ール４７は負の端子２０と接続したままであるが正の直
流レール４８は後述するように正の端子１９から切り離
した方が好ましい。スイッチング手段に応答する適当な
ソース電流手段が例えば交流電源のような外部エネルギ
ー供給源５２との接続を可能にする。この接続は単極双
投（ＳＰＤＴ）スイッチ５４，５５またはこれと等価の
作用素子によって達成することができる。スイッチ５４
は交流端子５０と接続するアーマチュア５６を有する。
反位接点５７は供給源５２からエネルギーを受けるよう
に接続されている。定位接点５８はモーター１４の相巻
線と接続している。同様に、スイッチ５５は交流端子５
１と接続するアーマチュア６０を有する。反位接点６１
は供給源５２からエネルギーを受けるように接続されて
いる。定位接点６２はモーター１４の第２相巻線と接続
している。
【００１７】例えば駆動モードにおけるようにスイッチ
６３が閉じると、蓄電池１２は図示のように極Ａ´及び
Ｂ´が接続された状態で充電することができる。この場
合、パルス幅変調器４４で極Ａ´及びＢ´を制御するこ
とにより、供給源５２から電力を取り出してこれを蓄電
池１２に供給するＨブリッジコンバーターとして作用さ
せることができる。実際には１極だけで充電電流を供給
できるが、交流供給源の場合、ソース電流の正負双方の
半波を変換するため２つの極を使用するのが普通であ
る。
【００１８】外部エネルギー供給源の周波数にはなんの
制約もなく、純粋な直流であってもよい。スイッチ６３
が閉じている状態では、外部エネルギー供給源５２の電
圧が蓄電池電圧よりも高くなってはならないという制約
があるだけである。即ち、供給源から蓄電池への電流が
制御不能に陥るからである。蓄電池１２が著しく放電さ
れているか、または供給源５２が高電圧、例えば２３０
ボルトであってこれが２００ボルト蓄電池を充電する場
合、上記の制約が問題となる。この問題を解決する方法
の１つとして、供給源５２と極の１つとの間にインピー
ダンス６４を挿入する。インピーダンス６４は抵抗でも
リアクタンスでもよいが、いずれの場合にも所与の電流
に対して供給源５２からの電力供給量を抑制する機能を
果たす。ただし、充電電流を完全に制御するためにはイ
ンピーダンスを広い範囲に亘って変化させねばならな
い。
【００１９】この制限を克服するためには交流端子６６
と正の端子１９を結ぶ導電路、例えば導電路６５を与え
る充電電流手段を設ければよい。インピーダンス６７は
充電電流中の調波を抑制する。このような導電路はＳＰ
ＤＴスイッチ６８によって形成することができる。スイ
ッチ６８は装置４２が蓄電池充電モードで動作している
場合には図示のように反位接点７０と接触するアーマチ
ュア６９を有する。駆動モードにおいてはアーマチュア
６９が定位接点７１と接続する。また、直流レール４８
が蓄電池１２の電圧と同じ電圧であることを強制されな
くなるようにスイッチ６３が開く。即ち、この電圧は供
給源５２のピーク電圧よりも高くなることができる。極
Ｃ´は単極チョッパーとして作用し、高電圧まで充電さ
れているコンデンサー７３から電流パルスを取り出して
これを低電圧で蓄電池１２に供給する。従って、蓄電池
に供給される充電電流は供給源５２の電圧と蓄電池１２
の電圧との比に関係なく制御される。制約は装置構成素
子の物理的構成による制約だけである。インバーター４
２を組み込まれた電気自動車は１１０ボルトであろうと
２２０ボルトであろうとおよそ標準的な単相電源ならほ
とんどいかなる電源からでもその蓄電池を再充電でき
る。標準的な６０Ｈｚ周波数だけでなく、ほとんどいか
なる周波数にも適応できる。このことは電気自動車の実
用性を著しく高める要因である。
【００２０】図３には別々に励磁可能な２つの多相巻線
を有するモーター７５と併用する本発明の他の実施例を
示した。この実施例では１対のインバーターブリッジ７
６，７７が直流レール７８，７９を共有する。インバー
ターブリッジ７６は極Ａ１´，Ｂ１´及びＣ１´を含
み、同様に、インバーターブリッジ７７は極Ａ２´，Ｂ
２´及びＣ２´を含む。この実施例の作用は図２に示し
た実施例の作用と同様である。ただし、極Ａ１´及びＢ
１´は交流供給源５２から交流を受けるのに対して極Ａ
２´はコンデンサー８０からの直流充電電流を導電路８
２を介して蓄電池１２に供給する。このようにインバー
ターブリッジ７６と７７の間に機能を分割したのはあく
までも便宜上の理由からであり、この実施例の作用にと
って必要条件ではない。図２のＳＰＤＴスイッチ６８の
代わりに充電電流手段は蓄電池１２に対して逆バイアス
された直列ダイオードを利用することができる。従って
図３には直列充電ダイオード８４を含む導電路８２を示
してある。ダイオード８４はシステムの定常駆動モード
動作時に極Ａ２´の交流端子へ電流が逆流するのを防止
する。
【００２１】以上に述べたように、本発明は選択的に定
常駆動モードまたは蓄電池充電モードで動作することの
できる再構成可能なインバーター装置を提供する。イン
バーター極に起動信号を供給するために設定される制御
システムは次の２つの機能を果たさねばならない。
（１）蓄電池充電電流を所要レベルに維持し；（２）供
給源５２から取り出された交流電流をインバーター直流
電圧をピーク充電電圧よりもやや高く維持するのに十分
なレベルに維持する。上記必須条件を満たすと考えられ
る好ましい制御システムは米国特許第５，１８２，５０
８号“Reconfigurable AC Induction Motor Drive for
Battery-Powered Vehicles（電気自動車用の再構成可能
な交流誘導モーター駆動システム）”に開示されてい
る。このようなシステムを図４に略示した。
【００２２】導電路６５を流れる実際の充電電流は充電
電流センサー８８によって測定される。測定された実際
の充電電流は減算ジャンクション８９において、ライン
９０を介して印加される外部規定充電電流基準から減算
される。ライン９０を介して印加される信号の値はシス
テムまたはユーザーによって供給され、充電率を制御す
る。こうして形成された充電電流エラー信号は電流調整
回路９１によって処理される。調整回路９１からの出力
は上述したように極Ｃ´の極スイッチをチョッパーとし
て作用させるために用いる。
【００２３】コンデンサー７３の、従って直流レール４
７，４８間の電圧は電圧センサー９３によって測定され
る。この電圧は減算ジャンクション９４において、ライ
ン９５を介して規定される需要レベルと比較される。こ
うして形成された電圧エラー信号は電圧調整回路９６に
よって処理され、減算ジャンクション９７に印加され
る。電圧調整回路９６の出力は供給源５２からの交流電
流の大きさを、レール４７，４８間電圧をほぼ一定の値
に維持するのに必要なレベルに調整する。
【００２４】減算ジャンクション９７は電流センサー９
８の出力をも受信する。減算ジャンクション９７からの
出力は電流調整回路９９によって処理され、パルス幅変
調器４４に供給される。供給源５２に関する位相及び周
波数情報がライン１００を介して変調器４４に入力され
る。変調器４４はコンデンサー７３の電圧が充電電流需
要を満たすレベルとなるように極Ａ´及びＢ´の動作を
制御する。図示の交流システムにおいて、電流需要位相
位置は供給源５２における電圧に対して１８０°だけ位
相ずれするように設定する。こうして取り出される電流
はほぼ一定力率の電流である。
【００２５】本発明の主題ではないが、図４に示す構成
を利用することによって供給源５２へ交流電力を戻すこ
とができる。この場合、電気自動車を停電中の交流シス
テムに給電するための緊急用電源として利用できる。そ
れはそれとして、本発明が提供するのはおよそ外部電気
エネルギーが利用できる場所ならほとんどいかなる場所
においても選択的に搭載蓄電池を再充電するのに利用で
きる再構成可能なインバーター装置である。外部供給源
が交流を供給すると、インバーター装置によって取り出
される電流は本質的に正弦波状であり、最大効率を可能
にする一定力率の電流である。外部エネルギー供給源か
ら一定力率の正弦波電流が取り出されるから、所与の電
圧及び電流定格に対して交流アウトレットから最大限の
電力を得ることができる。これによって所与の蓄電池を
充電するのに要する時間が短縮される。
【００２６】添付の図面に沿って好ましい実施例を以上
に説明したが、当初した特許請求の範囲内で種々の実施
態様及び変更が可能である。
【００２７】
【図面の簡単な説明】
【図１】蓄電池によって供給される直流を交流モーター
を駆動するため３相交流に変換する公知インバーター装
置の構成図である。
【図２】本発明のインバーター装置の好ましい実施例を
示す構成図である。
【図３】本発明のインバーター装置の他の実施例を示す
構成図である。
【図４】図２に示す実施例を制御するゲート信号を供給
する簡単なシステムの構成図である。
【符号の説明】
１２ 蓄電池 １９ 正の端子 ２０ 負の端子 ４２ インバーター装置 ４４ パルス幅変調器 ４７、４８ 直流レール ５０ 交流端子 ５２ 外部エネルギー供給源 ５４、５５ 単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチ ５６ アーマチュア ６４、６７ インピーダンス

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 多相交流モーターに給電するため少なく
    とも１個の蓄電池からの直流を変換するかまたは外部エ
    ネルギー供給源により蓄電池を充電するか選択的に動作
    可能な電気自動車駆動システム用の再構成可能なインバ
    ーター装置において、 駆動モードまたは蓄電池充電モードで動作するように選
    択的な電気接続を行うモードスイッチイング手段と、 少なくとも２つのインバーター極を有し、該インバータ
    ー極はそれぞれが１対の直流レール間に直列接続されて
    直流レール間に交流端子を画定する接続点を形成する１
    対の極スイッチを有し、それぞれの極スイッチは半導体
    スイッチング素子とその両端間に逆並列接続したダイオ
    ードより成り、少なくとも１つのコンデンサーが一対の
    直流レール間に接続され、 蓄電池の第１端子と接続可能な第１レール、及び駆動モ
    ードにおいて蓄電池の第２端子と選択的に接続可能であ
    るが蓄電池充電モードにおいて第２の端子から切り離さ
    れる第２のレールを有し、 蓄電池充電モードにおいてスイッチング手段に応答して
    少なくとも２つのインバーター極の第１極の交流端子を
    外部エネルギー供給源に接続するソース電流手段と、 蓄電池充電モードにおいて少なくとも２つのインバータ
    ー極の第２極の交流端子から第２端子に至る導電路を形
    成させる充電電流手段とをさらに備えることを特徴とす
    る電気自動車駆動システム用の再構成可能なインバータ
    ー装置。
  2. 【請求項２】 前記充電電流手段は導電路中に直列接続
    された挿入インピーダンスを含むことを特徴とする請求
    項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記充電電流手段は導電路中に直列接続
    され、第２端子に対して逆バイアスされた挿入充電ダイ
    オードを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】 蓄電池充電モードにおいて外部エネルギ
    ー供給源と接続可能な第３交流端子を有する第３インバ
    ーター極を含み、前記スイッチング手段は、第２レール
    と第２端子と接続可能な端子との間に接続された単極単
    投スイッチと、第１極と接続する第１アーマチュア接
    点、多相交流モーターの第１相巻線と接続可能な第１定
    位接点及び外部エネルギー供給源と接続可能な第１反位
    接点を有する第１単極双投スイッチと、第３極と接続す
    る第２アーマチュア接点、多相交流モーターの第２相巻
    線と接続可能な第２定位接点及び外部エネルギー供給源
    と接続可能な第２反位接点を有する第２単極双投スイッ
    チと、第２極と接続する第３アーマチュア接点、多相交
    流モーターの第３相巻線と接続可能な第３定位接点及び
    蓄電池の第２端子と接続可能な第３反位接点を有する第
    ３単極双投スイッチから成ることを特徴とする請求項１
    に記載の装置。
  5. 【請求項５】 別々に励磁可能な二重の多相巻線を有す
    るモーターに給電するため少なくとも１個の蓄電池から
    の直流を変換するかまたは外部エネルギー供給源により
    蓄電池を充電するかのいずれかのモードで選択的に動作
    でき、駆動モードまたは蓄電池充電モードで動作するよ
    うに選択的に電気接続を成立させるモードスイッチング
    手段を含む電気自動車駆動システム用の再構成可能なイ
    ンバーター装置において、それぞれが少なくとも２つの
    インバーター極を有する二重多相巻線の第１巻線に交流
    を供給するための第１インバーター・パッケージ及び二
    重多相巻線の第２巻線に交流を供給するための第２イン
    バーター・パッケージと、それぞれのインバーター極が
    １対の直流レール間に直列に接続されて両レール間に交
    流端子を画定する接続点を形成する１対の極スイッチを
    有することと、それぞれの極スイッチが両端間にダイオ
    ードを逆並列接続した半導体スイッチング素子と、蓄電
    池の第１端子と接続可能な１対の直流レールの第１レー
    ルと、駆動モードにおいて蓄電池の第２端子と接続する
    が蓄電池充電モードにおいて第２端子との接続を解かれ
    る１対の直流レールの第２レールと、１対の直流レール
    間に接続された少なくとも１個のコンデンサーと、蓄電
    池充電モードにおいて第１極の交流端子を選択的に外部
    エネルギー供給源に接続するソース電流手段と、蓄電池
    充電モードにおいて第２極の交流端子から第２端子に至
    る導電路を成立させる充電電流手段を特徴とする電気自
    動車駆動システム用の再構成可能なインバーター装置。
  6. 【請求項６】 前記充電電流手段は導電路中に直列接続
    された挿入インピーダンスを含むことを特徴とする請求
    項５に記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記充電電流手段は導電路中に直列接続
    され、蓄電池の第２端子に対して逆バイアスされた挿入
    充電ダイオードを含むことを特徴とする請求項５に記載
    の装置。
  8. 【請求項８】 第１極は第１インバーター・パッケージ
    中にあり、第２極は第２インバーター・パッケージ中に
    あることを特徴とする請求項５に記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記ソース電流手段は蓄電池充電モード
    において第３極の交流端子を選択的に外部エネルギー供
    給源に接続する機能をも有し、前記スイッチング手段は
    第２レールと第２端子と接続可能な端子との間に直列接
    続された単続極単投スイッチと、第１極と接続する第１
    アーマチュア接点、多相交流モーターの第１相巻線と接
    続可能な第１定位接点及び外部エネルギー供給源と接続
    可能な第１反位接点を有する第１単極双投スイッチと、
    第３極と接続する第２アーマチュア接点、多相モーター
    の第２相巻線と接続可能な第２定位接点及び外部エネル
    ギー供給源と接続可能な第２反位接点を有する第２単極
    双投スイッチとから成ることを特徴とする請求項５に記
    載の装置。
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