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公開番号2021005944
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210114
出願番号2019118272
出願日20190626
発明の名称充電システム
出願人株式会社SOKEN,株式会社デンソー
代理人個人
主分類H02J 7/00 20060101AFI20201211BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】オープン巻線に接続された2つの電圧源を適切に充電可能な充電システムを提供する。
【解決手段】インバータ制御部71は、第1スイッチング素子31〜36および第2スイッチング素子41〜46のオンオフ作動を制御する。記憶部75は、直流電流により発生するトルクがゼロとみなせる範囲であるゼロトルク位置が、充電モード、通電相数および通電相を含む充電条件と関連付けられて記憶されている。バッテリ21、22は、コイル11〜13、第1インバータ30および第2インバータ40を通電経路として急速充電器100から供給される直流電力により充電可能である。制御部70は、ロータ14がゼロトルク位置となるようにロータ位置を制御し、当該ゼロトルク位置と関連づけられた充電条件にて、第1バッテリ21および第2バッテリ22の少なくとも一方を急速充電器100からの直流電力により充電する。
【選択図】 図1
特許請求の範囲【請求項1】
複数相のコイル(11、12、13)、および、前記コイルへの通電により回転するロータ(14)を有する回転電機(10)と、
前記ロータの回転位置であるロータ位置を検出する角度センサ(15)と、
第1スイッチング素子(31〜36)を有し、前記コイルの一端(111、121、131)および第1電圧源(21)に接続される第1インバータ(30)と、
第2スイッチング素子(41〜46)を有し、前記コイルの他端(112、122、132)および前記第1電圧源とは絶縁されている第2電圧源(22)に接続される第2インバータ(40)と、
前記第1スイッチング素子および前記第2スイッチング素子のオンオフ作動を制御するインバータ制御部(71)、ならびに、直流電流により発生するトルクがゼロとみなせる範囲であるゼロトルク位置が、充電モード、通電相数および通電相を含む充電条件と関連付けて記憶されている記憶部(75)を有する制御部(70)と、
を備え、
前記第1電圧源および前記第2電圧源は、前記コイル、前記第1インバータおよび前記第2インバータを通電経路として外部充電器(100)から供給される直流電力により充電可能であって、
前記制御部は、前記ロータが前記ゼロトルク位置となるように前記ロータ位置を制御し、当該ゼロトルク位置と関連づけられた前記充電条件にて前記第1電圧源および前記第2電圧源の少なくとも一方を前記外部充電器からの直流電力により充電する充電システム。
続きを表示(約 2,200 文字)【請求項2】
電気角1周期中には、複数の前記ゼロトルク位置が存在しており、
前記制御部は、複数の前記ゼロトルク位置のうち、トルクがゼロとなるゼロトルク点の両側にて当該ゼロトルク点に向かう方向にトルクが発生するゼロトルク収束領域となるように前記ロータ位置を制御する請求項1に記載の充電システム。
【請求項3】
電気角1周期中には、複数の前記ゼロトルク位置が存在しており、
前記制御部は、複数の前記ゼロトルク位置のうち、電流値によらず位置が固定である固定ゼロトルク位置となるように前記ロータ位置を制御する請求項1に記載の充電システム。
【請求項4】
前記制御部は、前記第1電圧源および前記第2電圧源の充電残量に応じて前記充電モードおよび前記通電相数を選択し、選択された前記充電モードおよび前記通電相数に関連づけられている前記ゼロトルク位置のうち、充電開始前の前記ロータの停止位置から最も近い前記ゼロトルク位置を選択して前記ロータ位置を制御し、選択された前記ゼロトルク位置に対応する前記通電相を用いて前記第1電圧源および前記第2電圧源の少なくとも一方を充電する請求項1〜3のいずれか一項に記載の充電システム。
【請求項5】
前記第1電圧源または前記第2電圧源を単独充電する場合、充電する前記第1電圧源または前記第2電圧源の充電残量に応じて前記通電相数を選択し、前記ロータ位置に応じて前記通電相を選択する請求項4に記載の充電システム。
【請求項6】
前記第1電圧源および前記第2電圧源が並列接続しているとみなせる状態にて同時充電する場合、前記第1電圧源および前記第2電圧源の充電残量および前記ロータ位置の少なくとも一方に応じて前記通電相数を選択し、前記ロータ位置に応じて前記通電相を選択する請求項4に記載の充電システム。
【請求項7】
前記第1電圧源および前記第2電圧源が直列接続しているとみなせる状態にて同時充電する場合、前記通電相数を全相とする請求項4に記載の充電システム。
【請求項8】
前記制御部は、前記第1電圧源および前記第2電圧源の同時充電を行った後、前記第1電圧源または前記第2電圧源の一方の充電が完了した場合、充電を一旦停止し、充電停止前の同時充電時と同じ前記通電相を用いて前記第1電圧源または前記第2電圧源の他方を単独充電する請求項6または7に記載の充電システム。
【請求項9】
前記第1電圧源の低電位側と前記第2電圧源の低電位側とを接続する低電位側接続線(66)と、
前記低電位側接続線に設けられる低電位側開閉器(56)と、
をさらに備え、
前記第1インバータにおいて、高電位側に接続される前記第1スイッチング素子を第1上アーム素子(31〜33)、低電位側に接続される前記第1スイッチング素子を第1下アーム素子(34〜46)、
前記第2インバータにおいて、高電位側に接続される前記第2スイッチング素子を第2上アーム素子(41〜43)、低電位側に接続される前記第2スイッチング素子を第2下アーム素子(44〜46)とすると、
前記制御部は、前記第1電圧源および前記第2電圧源の少なくとも一方の直流電力での充電開始前、前記低電位側開閉器を閉、前記第1電圧源または前記第2電圧源のうち電位が高い側と接続される前記第1上アーム素子または前記第2上アーム素子の少なくとも1つをオンにし、前記第1電圧源と前記第2電圧源との電位差で流れる直流電流により、前記ロータを前記ゼロトルク位置に移動させる充電前事前処理を行う請求項1〜8のいずれか一項に記載の充電システム。
【請求項10】
前記第1電圧源の高電位側と前記第2電圧源の高電位側とを接続する高電位側接続線(65)と、
前記高電位側接続線に設けられる高電位側開閉器(55)と、
をさらに備え、
前記第1インバータにおいて、高電位側に接続される前記第1スイッチング素子を第1上アーム素子(31〜33)、低電位側に接続される前記第1スイッチング素子を第1下アーム素子(34〜46)、
前記第2インバータにおいて、高電位側に接続される前記第2スイッチング素子を第2上アーム素子(41〜43)、低電位側に接続される前記第2スイッチング素子を第2下アーム素子(44〜46)とすると、
前記制御部は、前記第1電圧源および前記第2電圧源の少なくとも一方の直流電力での充電開始前、前記高電位側開閉器を閉、前記第1電圧源または前記第2電圧源のうち電位が高い方と接続される前記第1下アーム素子または前記第2下アーム素子の少なくとも1つをオンにし、前記第1電圧源と前記第2電圧源との電位差で流れる直流電流により、前記ロータを前記ゼロトルク位置に移動させる充電前事前処理を行う請求項1〜8のいずれか一項に記載の充電システム。
【請求項11】
前記制御部は、その後の充電実施時と通電経路が同じとなるように、前記充電前事前処理にてオンするスイッチング素子を決定する請求項9または10に記載の充電システム。
【請求項12】
前記制御部は、充電準備指示状態である場合、前記充電前事前処理を行う請求項9〜11のいずれか一項に記載の充電システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、充電システムに関する。
続きを表示(約 6,500 文字)【背景技術】
【0002】
従来、蓄電装置からの電力により走行する電動車両が知られている。例えば特許文献1では、電動機が第1巻線および第2巻線を有しており、充電時に第2巻線に印加される交流電圧によって発生するトルクを相殺するための逆トルクを発生させるような交流電圧を第1巻線に印加している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特許第5601274号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、例えば、オープン巻線化されたコイルの両側に、それぞれインバータおよび電源を有する構成において、逆トルクを発生させることができず、特許文献1の手法では、充電中のゼロトルクを担保することができない。
【0005】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、オープン巻線に接続された2つの電圧源を適切に充電可能な充電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の充電システムは、回転電機(10)と、角度センサ(15)と、第1インバータ(30)と、第2インバータ(40)と、制御部(70)と、を備える。回転電機は、複数相のコイル(11、12、13)、および、コイルへの通電により回転するロータ(14)を有する。角度センサは、ロータの回転位置であるロータ位置を検出する。
【0007】
第1インバータは、第1スイッチング素子(31〜36)を有し、コイルの一端(111、121、131)および第1電圧源(21)に接続される。第2インバータは、第2スイッチング素子(41〜46)を有し、コイルの他端(112、122、132)および第1電圧源とは絶縁されている第2電圧源(22)に接続される。
【0008】
制御部は、インバータ制御部(71)、および、記憶部(75)を有する。インバータ制御部は、第1スイッチング素子および第2スイッチング素子のオンオフ作動を制御する。記憶部は、直流電流により発生するトルクがゼロとみなせる範囲であるゼロトルク位置が、充電モード、通電相数および通電相を含む充電条件と関連付けて記憶されている。
【0009】
第1電圧源および第2電圧源は、コイル、第1インバータおよび第2インバータを通電経路として外部充電器(100)から供給される直流電力により充電可能である。制御部は、ロータがゼロトルク位置となるようにロータ位置を制御し、当該ゼロトルク位置と関連付けられた充電条件にて第1電圧源および第2電圧源の少なくとも一方を外部充電器からの直流電力により充電する。これにより、第1電圧源および第2電圧源を適切に充電することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
第1実施形態による充電システムを示す回路図である。
第1実施形態による並列充電を説明する説明図である。
第1実施形態による直列充電を説明する説明図である。
第1実施形態による第1バッテリの単独充電を説明する説明図である。
第1実施形態による第2バッテリの単独充電を説明する説明図である。
第1実施形態において、(a)が3相、(b)がUW相の2相、(c)がU相の1相を用いて単独充電したときの電気角とトルクとの関係を説明する説明図である。
第1実施形態による3相単独充電での電気角とトルクとの関係を説明する説明図である。
第1実施形態による3相単独充電での電気角とトルクとの関係を説明する説明図である。
第1実施形態による並列充電時の相電流を説明するタイムチャートである。
第1実施形態による並列充電での電気角とトルクとの関係を説明する説明図である。
第1実施形態による並列充電において、通電相を替えた場合の電気角とトルクとの関係を説明する説明図である。
第1実施形態による2相充電での電気角とトルクとの関係を説明する説明図である。
第1実施形態よる2相充電において、通電相を替えた場合の電気角とトルクとの関係を説明する説明図である。
第1実施形態による1相充電での電気角とトルクとの関係を説明する説明図である。
第1実施形態よる1相充電において、通電相を替えた場合の電気角とトルクとの関係を説明する説明図である。
第1実施形態において、通電相数を替えた場合の電気角とトルクとの関係を説明する説明図である。
第1実施形態による充電制御処理を説明するフローチャートである。
第1実施形態による充電制御処理を説明するフローチャートである。
第2実施形態によるバッテリ間の電位差による電流の通電経路を説明する説明図である。
第2実施形態による充電前事前処理を説明するフローチャートである。
第3実施形態による充電システムを示す回路図である。
第3実施形態によるバッテリ間の電位差による電流の通電経路を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明による充電システムを図面に基づいて説明する。以下、複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【0012】
(第1実施形態)
第1実施形態を図1〜図18に示す。図1に示すように、充電システム1は、車両98に搭載される。車両98には、インレット5が設けられる。充電システム1は、インレット5を経由して外部充電器としての急速充電器100と接続可能に設けられる。インレット5には、高電位側外部接続端子6、および、低電位側外部接続端子7が設けられる。急速充電器100は、商用電源と比較して高電圧の直流充電器であって、車両98の制御部70と通信可能な外部制御部105を備える。
【0013】
また、充電システム1は、インレット5および車載充電器80を経由して、商用電源等である交流電源108と接続可能に設けられる。インレット5には、交流電源接続端子8、9が設けられる。車載充電器80は、交流電源108から供給された交流電力を直流電力に変換する。
【0014】
充電システム1は、回転電機としてのモータジェネレータ10、第1電圧源としての第1バッテリ21、第2電圧源としての第2バッテリ22、第1インバータ30、第2インバータ40、急速充電用開閉器51、52、急速充電用給電線61、62、および、制御部70等を備える。
【0015】
モータジェネレータ10は、例えば永久磁石式同期型の複数相(本実施形態では3相)の交流モータであって、図示しないステータに巻回されるU相コイル11、V相コイル12およびW相コイル13、ならびに、ロータ14を有する。モータジェネレータ10は、図示しない駆動輪を駆動するためのトルクを発生する、いわゆる主機モータであり、駆動輪を駆動するための電動機としての機能、および、図示しないエンジンや駆動輪から伝わる運動エネルギによって駆動されて発電する発電機としての機能を有する。以下適宜、モータジェネレータを「MG」と記載する。
【0016】
ロータ14は、コイル11〜13への通電により回転する。角度センサ15は、ロータ14の回転位置を検出する。本実施形態の角度センサ15はレゾルバであるが、例えばロータリーエンコーダ等、レゾルバ以外のものを用いてもよい。角度センサ15の検出値は、制御部70に出力される。本実施形態では、角度センサ15の検出値は、主に電気角に換算されて用いられる。
【0017】
MG10には、第1バッテリ21および第2バッテリ22から電力が供給される。第1バッテリ21および第2バッテリ22は、例えばニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の充放電可能な蓄電装置である。二次電池に替えて、電気二重層キャパシタ等を用いてもよい。本実施形態では、第1バッテリ21および第2バッテリ22は、例えば定格電圧が300[V]の同等の性能のものを用いるが、例えば一方に出力型のものを用い、他方に容量型のものを用いる、といった具合に、電池性能や種類が異なっていてもよい。第1バッテリ21と第2バッテリ22とは、絶縁されている。絶縁が確保されていれば、バッテリ21、22が1パッケージ化されていてもよい。第1バッテリ21および第2バッテリ22は、インレット5を経由して急速充電器100および交流電源108により充電可能に設けられている。
【0018】
第1バッテリ21は、バッテリ記号として示す電池セルモジュール、高電位側メインリレー、および、低電位側メインリレーを有する。第2バッテリ22は、バッテリ記号として示す電池セルモジュール、高電位側メインリレー、および、低電位側メインリレーを有する。以下適宜、メインリレーを「SMR」とし、SMRが導通可能な状態を「SMRオン」、SMRが導通不能の状態を「SMRオフ」とする。
【0019】
第1インバータ30は、コイル11〜13の通電を切り替える3相インバータであって、スイッチング素子31〜36を有し、MG10および第1バッテリ21に接続される。第2インバータ40は、コイル11〜13の通電を切り替える3相インバータであって、スイッチング素子41〜46を有し、MG10および第2バッテリ22に接続される。
【0020】
スイッチング素子31〜36、41〜46は、それぞれ、スイッチ部および還流ダイオードを有する。スイッチ部は、制御部70によりオンオフ作動が制御される。本実施形態のスイッチ部はIGBTであるが、MOSFET等、他の素子を用いてもよい。また、スイッチング素子31〜36、41〜46で用いる素子が異なっていてもよい。還流ダイオードは、各スイッチ部と並列に接続され、低電位側から高電位側への通電を許容する。還流ダイオードは、例えばMOSFETの寄生ダイオードのように内蔵されていてもよいし、外付けされたものであってもよい。また、還流できるように接続されたIGBTやMOSFET等のスイッチであってもよい。
【0021】
第1インバータ30において、高電位側にスイッチング素子31〜33が接続され、低電位側にスイッチング素子34〜36が接続される。以下適宜、高電位側のスイッチング素子31〜33を「第1上アーム素子」、低電位側のスイッチング素子34〜36を「第1下アーム素子」とする。第1上アーム素子31〜33の高電位側を接続する第1高電位側配線37が第1バッテリ21の高電位側と接続され、第1下アーム素子34〜36の低電位側を接続する第1低電位側配線38が第1バッテリ21の低電位側と接続される。
【0022】
U相のスイッチング素子31、34の接続点にはU相コイル11の一端111が接続され、V相のスイッチング素子32、35の接続点にはV相コイル12の一端121が接続され、W相のスイッチング素子33、36の接続点にはW相コイル13の一端131が接続される。
【0023】
第2インバータ40において、高電位側にスイッチング素子41〜43が接続され、低電位側にスイッチング素子44〜46が接続される。以下適宜、高電位側のスイッチング素子41〜43を「第2上アーム素子」、低電位側のスイッチング素子44〜46を「第2下アーム素子」とする。第2上アーム素子41〜43の高電位側を接続する第2高電位側配線47が第2バッテリ22の高電位側と接続され、第2下アーム素子44〜46の低電位側を接続する第2低電位側配線48が第2バッテリ22の低電位側と接続される。
【0024】
U相のスイッチング素子41、44の接続点にはU相コイル11の他端112が接続され、V相のスイッチング素子42、45の接続点にはV相コイル12の他端122が接続され、W相のスイッチング素子43、46の接続点にはW相コイル13の他端132が接続される。
【0025】
このように、本実施形態では、MG10のコイル11〜13がオープン巻線化されており、第1インバータ30および第2インバータ40がコイル11〜13の両端に接続されている「2電源2インバータ」の電動機駆動システムとなっている。
【0026】
第1コンデンサ39は、高電位側配線37と低電位側配線38とに接続され、第1インバータ30と並列に設けられる。第2コンデンサ49は、高電位側配線47と低電位側配線48とに接続され、第2インバータ40と並列に設けられる。コンデンサ39、49は、平滑コンデンサであり、インバータ30、40に印加される電圧を平滑化する。
【0027】
高電位側の急速充電用開閉器51が設けられる急速充電用給電線61は、MG10およびインバータ30、40を経由せず、第1バッテリ21の高電位側と高電位側外部接続端子6とを直接的に接続する。また、低電位側の急速充電用開閉器52が設けられる急速充電用給電線62は、MG10およびインバータ30、40を経由せず、第2バッテリ22の低電位側と低電位側外部接続端子7とを直接的に接続する。開閉器51、52は、電流の導通および遮断を切替可能であればよく、例えば半導体リレーやメカリレー等が用いられる。
【0028】
また、第1バッテリ21は、接続線63、64にて車載充電器80と接続され、第2バッテリ22は、接続線65、66にて車載充電器80と接続される。接続線63、65は、バッテリ21、22の高電位側、接続線64、66はバッテリ21、22の低電位側に接続される。接続線63〜66には、それぞれ、車載充電器80とバッテリ21、22との断接を切り替え可能な開閉器53〜56が設けられる。本実施形態では、高電位側の接続線65が車載充電器80と開閉器53との間にて接続線63と接続され、低電位側の接続線66が開閉器54と第1バッテリ21との間にて接続線64と接続される。
【0029】
制御部70は、マイコン等を主体として構成され、内部にはいずれもCPU、ROM、RAM、I/O、及び、これらの構成を接続するバスライン等を備えている。制御部70における各処理は、ROM等の実体的なメモリ装置(すなわち、読み出し可能非一時的有形記録媒体)に予め記憶されたプログラムをCPUで実行することによるソフトウェア処理であってもよいし、例えばFPGA(field-programmable gate array)のような電子回路によるハードウェア処理であってもよい。
【0030】
制御部70は、インバータ制御部71、リレー制御部72、充電制御部73、および、記憶部75を有する。インバータ制御部71は、スイッチング素子31〜36、41〜46のオンオフ作動を制御する。第1インバータ30の駆動制御に係る制御信号は、第1ドライブ回路76を経由して第1インバータ30に出力される。第2インバータ40の駆動制御に係る制御信号は、第2ドライブ回路77を経由して第2インバータ40に出力される。インバータ30、40を制御するマイコンは、1つであってもよいし、インバータ30、40ごとに設けられていてもよい。
(【0031】以降は省略されています)

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