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公開番号2021013225
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210204
出願番号2019125472
出願日20190704
発明の名称電力変換装置
出願人株式会社SOKEN,株式会社デンソー
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H02P 27/06 20060101AFI20210108BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】蓄電池の昇温時に、十分な電流を蓄電池に流すことができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】U,V,W相巻線31,32,33の第1端は、第1上アームスイッチと第1下アームスイッチとの接続点に接続されており、U,V,W相巻線31,32,33の第2端は、第2上アームスイッチと第2下アームスイッチとの接続点に接続されている。第1負極母線24と第2負極母線44とは切替用スイッチ60により接続されている。制御部50は、切替用スイッチ60をオン操作した状態で、第1,第2インバータ20,40の各スイッチをオンオフ操作することにより、第1蓄電池100からの電流を、第2蓄電池110に流す第1通電処理と、第2蓄電池110からの電流を、第1蓄電池100に流す第2通電処理と、を交互に実施する。
【選択図】 図1
特許請求の範囲【請求項1】
電機子巻線(31〜33)を有する回転電機(30)と、
第1上アームスイッチ(Q1,Q3,Q5)及び第1下アームスイッチ(Q2,Q4,Q6)の直列接続体を有し、前記電機子巻線の両端のうち第1端と、第1蓄電池(100)とを接続する第1インバータ(20)と、
第2上アームスイッチ(Q7,Q9,Q11)及び第2下アームスイッチ(Q8,Q10,Q12)の直列接続体を有し、前記電機子巻線の両端のうち第2端と、第2蓄電池とを接続する第2インバータ(40)と、
前記第1蓄電池の正極端子に接続された第1正極母線(23)と、
前記第2蓄電池の正極端子に接続された第2正極母線(43)と、
前記第1蓄電池の負極端子に接続された第1負極母線(24)と、
前記第2蓄電池の負極端子に接続された第2負極母線(44)と、
前記第1正極母線と前記第2正極母線との間、又は前記第2正極母線と前記第2負極母線との間を電気的に遮断又は導通させる切替用スイッチ(60,61)と、
前記切替用スイッチ、前記第1上アームスイッチ、前記第1下アームスイッチ、前記第2上アームスイッチ及び前記第2下アームスイッチをオンオフ操作する操作部(50)と、を備え、
前記電機子巻線の第1端は、前記第1上アームスイッチと前記第1下アームスイッチとの接続点に接続されており、前記電機子巻線の第2端は、前記第2上アームスイッチと前記第2下アームスイッチとの接続点に接続されており、
前記操作部は、前記切替用スイッチをオン操作した状態で、前記第1上アームスイッチ、前記第1下アームスイッチ、前記第2上アームスイッチ及び前記第2下アームスイッチをオンオフ操作することにより、前記第1蓄電池からの電流を、前記第1インバータ、前記電機子巻線及び前記第2インバータを介して前記第2蓄電池に流す第1通電処理と、前記第2蓄電池からの電流を、前記第2インバータ、前記電機子巻線及び前記第1インバータを介して前記第1蓄電池に流す第2通電処理と、を交互に実施する電力変換装置。
続きを表示(約 750 文字)【請求項2】
前記第1蓄電池及び前記第2蓄電池の残存容量を算出する残存容量算出部(70,71)を備え、
前記操作部は、前記第1蓄電池及び前記第2蓄電池の各残存容量が低いほど、前記第1蓄電池及び前記第2蓄電池に流れる電流振幅を小さくし、かつ前記第1通電処理及び前記第2通電処理の切替周期を短くするように、前記第1通電処理及び前記第2通電処理を実施する請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項3】
前記第1蓄電池及び前記第2蓄電池の少なくともいずれかの温度である電池温度を検出する温度検出部(70,71)を備え、
前記操作部は、前記温度検出部により検出された前記電池温度が低いほど、前記第1蓄電池及び前記第2蓄電池に流れる電流振幅を小さくし、かつ前記第1通電処理及び前記第2通電処理の切替周期を短くするように、前記第1通電処理及び前記第2通電処理を実施する請求項1又は2に記載の電力変換装置。
【請求項4】
前記回転電機は、2相以上の前記電機子巻線を有し、
前記操作部は、前記第1蓄電池及び前記第2蓄電池に流れる電流の電流振幅が所定値よりも小さい場合に、前記電流振幅が前記所定値以上である場合よりも、電流が流れる前記電機子巻線の相数を少なくするように、前記第1通電処理及び前記第2通電処理を実施する請求項2又は3のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項5】
前記操作部は、前記第1通電処理及び前記第2通電処理において、前記第1上アームスイッチと前記第2下アームスイッチとを同期させてオンオフ操作し、前記第1下アームスイッチと前記第2上アームスイッチとを同期させてオンオフ操作する請求項1〜4のいずれか一項に記載の電力変換装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、蓄電池からの電力を変換する電力変換装置に関する。
続きを表示(約 7,300 文字)【背景技術】
【0002】
この種の電力変換装置として、特許文献1には、蓄電池と、コンデンサと、蓄電池とコンデンサとの間に接続されたインバータとを備え、蓄電池に充放電電流を流すことにより蓄電池を昇温するものが開示されている。具体的には、電力変換装置では、インバータの各スイッチを操作することにより、蓄電池からコンデンサへと電流を流す場合と、コンデンサから蓄電池へと電流を流す場合とが切り替えられる、これにより、蓄電池に充放電電流が流れ、極低温時においても蓄電池における過度の放電容量や動作電圧の低下を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特許第5865736号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
コンデンサのインピーダンスには、電流の周波数に対して負の相関となる周波数特性がある。そのため、特許文献1に記載された電力変換装置では、昇温時において、蓄電池とコンデンサとの間での電流流通方向の切替周期が短いと、コンデンサのインピーダンスが大きくなり、蓄電池を昇温するのに十分な電流を流せない場合がある。また、リアクトルのインピーダンスには、電流の周波数に対して正の相関となる周波数特性がある。そのため、電力変換装置がリアクトルを備えている場合、蓄電池とコンデンサとの間の電流流通方向の切替周期を長くすると、リアクトルのインピーダンスが大きくなり、蓄電池を昇温するのに十分な電流を流せない場合がある。
【0005】
本発明は、上記課題に鑑みたものであり、蓄電池を昇温させるための十分な電流を蓄電池に流すことができる電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決するために本発明では、電機子巻線を有する回転電機と、第1上アームスイッチ及び第1下アームスイッチの直列接続体を有し、前記電機子巻線の両端のうち第1端と、第1蓄電池とを接続する第1インバータと、第2上アームスイッチ及び第2下アームスイッチの直列接続体を有し、前記電機子巻線の両端のうち第2端と、第2蓄電池とを接続する第2インバータと、前記第1蓄電池の正極端子に接続された第1正極母線と、前記第2蓄電池の正極端子に接続された第2正極母線と、前記第1蓄電池の負極端子に接続された第1負極母線と、前記第2蓄電池の負極端子に接続された第2負極母線と、前記第1正極母線と前記第2正極母線との間、又は前記第2正極母線と前記第2負極母線との間を電気的に遮断又は導通させる切替用スイッチと、前記切替用スイッチ、前記第1上アームスイッチ、前記第1下アームスイッチ、前記第2上アームスイッチ及び前記第2下アームスイッチをオンオフ操作する操作部と、を備え、前記電機子巻線の第1端は、前記第1上アームスイッチと前記第1下アームスイッチとの接続点に接続されており、前記電機子巻線の第2端は、前記第2上アームスイッチと前記第2下アームスイッチとの接続点に接続されており、前記操作部は、前記切替用スイッチをオン操作した状態で、前記第1上アームスイッチ、前記第1下アームスイッチ、前記第2上アームスイッチ及び前記第2下アームスイッチをオンオフ操作することにより、前記第1蓄電池からの電流を、前記第1インバータ、前記電機子巻線及び前記第2インバータを介して前記第2蓄電池に流す第1通電処理と、前記第2蓄電池からの電流を、前記第2インバータ、前記電機子巻線及び前記第1インバータを介して前記第1蓄電池に流す第2通電処理と、を交互に実施する。
【0007】
上記構成では、第1正極母線と第2正極母線、又は第1正極母線と第2正極母線とは、切替用スイッチにより導通と遮断とが切り替えられる。第1蓄電池及び第2蓄電池を昇温させる場合、切替用スイッチがオン操作された状態で、第1上アームスイッチ、第1下アームスイッチ、第2上アームスイッチ及び第2下アームスイッチがオンオフ操作される。これにより、第1蓄電池からの電流を、第1インバータ、電機子巻線及び第2インバータを介して第2蓄電池に流す第1通電処理と、第2蓄電池からの電流を、第2インバータ、電機子巻線及び第1インバータを介して第1蓄電池に流す第2通電処理とが交互に実施される。蓄電池は、コンデンサと比較して、インピーダンスの周波数特性の制約が小さい。このため、第1蓄電池からの電気エネルギと、第2蓄電池からの電気エネルギとを相互に供給し合うことにより、昇温に必要な電流を第1蓄電池及び第2蓄電池に十分に流すことができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
電力変換装置の構成図。
電力変換装置を第1,第2インバータのU相に着目した等価回路を示す図。
制御部の機能ブロック図。
指令電流を説明する図。
電力変換装置の動作を説明するタイミングチャート。
昇温制御の手順を説明するフローチャート。
指令電流を説明する図。
第1実施形態の変形例に係る制御部の機能ブロック図。
第2実施形態に係る制御部の機能ブロック図。
昇温制御の手順を説明するフローチャート。
第3実施形態に係る制御部の機能ブロック図。
電力変換装置の動作を説明するタイミングチャート。
第4実施形態に係る電力変換装置の構成図。
第5実施形態に係る電力変換装置の構成図。
【発明を実施するための形態】
【0009】
<第1実施形態>
以下、本発明に係る電力変換装置を具体化した第1実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態において、電力変換装置は例えば車両に搭載されている。
【0010】
図1に示す電力変換装置10は、第1蓄電池100と第2蓄電池110との間に接続されている。第1蓄電池100と、第2蓄電池110とは、複数の単位電池を直列接続することにより構成された組電池である。例えば、各単位電池は、リチウムイオン蓄電池である。電力変換装置10は、第1インバータ20と、回転電機30と、第2インバータ40とを備えている。
【0011】
第1蓄電池100の正極端子には、第1インバータ20の第1端子21が接続されており、負極端子には、第1インバータ20の第2端子22が接続されている。第1端子21には、第1正極母線23が接続されている。第2端子22には、第1負極母線24が接続されている。第1正極母線23と第1負極母線24とは、第1上アームスイッチである第1,第3,第5スイッチQ1,Q3,Q5と、第1下アームスイッチである第2,第4,第6スイッチQ2,Q4,Q6との直列接続体により接続されている。本実施形態では、第1〜第6スイッチQ1〜Q6はIGBTである。
【0012】
具体的には、第1,第3,第5スイッチQ1,Q3,Q5の各コレクタは、第1正極母線23に接続されており、各エミッタは、第2,第4,第6スイッチQ2,Q4,Q6の各コレクタに接続されている。第2,第4,第6スイッチQ2,Q4,Q6の各エミッタは、第1負極母線24に接続されている。なお、第1〜第6スイッチQ1〜Q6には、第1〜第6ダイオードD1〜D6が逆並列に接続されている。
【0013】
第1インバータ20において、第1正極母線23と第1負極母線24とは、コンデンサ25により接続されている。なお、コンデンサ25は、第1インバータ20の外側に設けられていてもよい。
【0014】
第2蓄電池110の正極端子には、第2インバータ40の第3端子41が接続されており、負極端子には、第2インバータ40の第4端子42が接続されている。第3端子41には、第2正極母線43が接続されている。第4端子42には、第2負極母線44が接続されている。第2正極母線43と第2負極母線44とは、第2上アームスイッチである第7,第9,第11スイッチQ7,Q9,Q11と、第2下アームスイッチである第8,第10,第12スイッチQ8,Q10,Q12との直列接続体により接続されている。本実施形態では、第7〜第12スイッチQ7〜Q12はIGBTである。
【0015】
具体的には、第7,第9,第11スイッチQ7,Q9,Q11の各コレクタは、第2正極母線43に接続されている。第7,第9,第11スイッチQ7,Q9,Q11の各エミッタは、第8,第10,第12スイッチQ8,Q10,Q12の各コレクタに接続されている。第8,第10,第12スイッチQ8,Q10,Q12の各エミッタは、第2負極母線44に接続されている。なお、第7〜第12スイッチQ7〜Q12には、第7〜第12ダイオードD7〜D12が逆並列に接続されている。
【0016】
第2インバータ40において、第2正極母線43と第2負極母線44とは、コンデンサ45により接続されている。なお、コンデンサ45は、第2インバータ40の外側に設けられていてもよい。
【0017】
回転電機30は、車載主機としての3相回転電機であり、そのロータが、車両の駆動輪と動力伝達可能とされている。本実施形態では、回転電機30は、電機子巻線であるU相巻線31、V相巻線32及びW相巻線33を有している。
【0018】
U相巻線31の第1端は、第1インバータ20において第1スイッチQ1と第2スイッチQ2との接続点に接続されており、第2端は、第2インバータ40において第7スイッチと第8スイッチQ8との接続点に接続されている。V相巻線32の第1端は、第1インバータ20において第3スイッチQ3と第4スイッチQ4との接続点に接続されており、第2端は、第2インバータ40おいて第9スイッチQ9と第10スイッチQ10との接続点に接続されている。W相巻線33の第1端は、第1インバータ20において第5スイッチQ5と第6スイッチQ6との接続点に接続されており、第2端は、第2インバータ40において第11スイッチQ11と第12スイッチQ12との接続点に接続されている。
【0019】
電力変換装置10は、制御部50を備えている。制御部50は、第1インバータ20の第1〜第6スイッチQ1〜Q6をオンオフ操作するゲート信号GS1〜GS6と、第2インバータ40の第7〜第12スイッチQ7〜Q12をオンオフ操作するゲート信号GS7〜GS12とを出力する。なお、制御部50が提供する各機能は、例えば、実体的なメモリ装置に記録されたソフトウェア及びそれを実行するコンピュータ、ハードウェア、又はそれらの組み合わせによって提供することができる。
【0020】
電力変換装置10は、第1蓄電池100の状態を監視する第1監視装置70と、第2蓄電池110の状態を監視する第2監視装置71とを備えている。第1監視装置70は、第1蓄電池100の残存容量を示す第1SOC1(State Of Charge)を算出し、第2監視装置71は、第2蓄電池110の残存容量を示す第2SOC2を算出する。SOCは、蓄電池の満充電時の容量に対する、蓄電池の残存容量の比であり、0%から100%の間の値を取る。また、第1監視装置70は、第1蓄電池100の温度である第1電池温度Tb1を検出し、第2監視装置71は、第2蓄電池110の温度である第2電池温度Tb2を検出する。第1,第2監視装置70,71が、残存容量算出部及び温度検出部に相当する。
【0021】
電力変換装置10は、回転電機30のU,V,W相巻線31,32,33に流れる電流である巻線電流IMrを検出する電流センサ72を備えている。
【0022】
第1インバータ20の第1負極母線24と、第2インバータ40の第2負極母線44とは、切替用スイッチ60により接続されている。本実施形態において、切替用スイッチ60は、常開式のリレーである。切替用スイッチ60がオン操作される場合、第1負極母線24と第2負極母線44とは電気的に導通され、切替用スイッチ60がオフ操作される場合、第1負極母線24と第2負極母線44とは電気的に遮断される。
【0023】
制御部50は、第1電池温度Tb1と第2電池温度Tb2とのうち、低い方の温度である判定対象温度Tb3が低温側判定値TLよりも低い場合に、第1蓄電池100及び第2蓄電池110の温度を上昇させるべく昇温制御を実施する。この昇温制御では、第1蓄電池100からの放電電流を第2蓄電池110に流す第1通電処理と、第2蓄電池110からの放電電流を第1蓄電池100に流す第2通電処理とが交互に実施される。本実施形態では、制御部50が操作部に相当する。
【0024】
次に、制御部50により実施される昇温制御を説明する。図2は、電力変換装置10を、第1,第2インバータ20,40のU相に着目して簡略化した等価回路図である。図2において、第1スイッチQ1及び第2スイッチQ2の接続点と、第7スイッチQ7及び第8スイッチQ8の接続点とがU相巻線31により接続されており、Hブリッジ回路が形成されている。
【0025】
昇温制御では、まず、制御部50が、リレー操作信号をオン指令に設定する。リレー操作信号は、切替用スイッチ60をオン操作とオフ操作とに切替える信号である。切替用スイッチ60がオン操作されることにより、第1インバータ20の第1負極母線24と第2インバータ40の第2負極母線44とが導通状態とされる。そして、制御部50は、第1通電処理として、第1蓄電池100の電気エネルギを第2蓄電池110に移動させるべく、第1インバータ20の各スイッチと第2インバータ40の各スイッチとをオンオフ操作する。制御部50は、第1インバータ20の第1,第2スイッチQ1,Q2のデューティ比と、第2インバータ40の第7,第8スイッチQ7,Q8のデューティ比とを調整することにより、第1蓄電池100から第2蓄電池110に流れる電流を制御する。
【0026】
制御部50は、第2通電処理として、第2蓄電池110の電気エネルギを第1蓄電池100に移動させるべく、第1インバータ20の各スイッチと第2インバータ40の各スイッチとをオンオフ操作する。制御部50は、第1インバータ20の第1,第2スイッチQ1,Q2のデューティ比と、第2インバータ40の第7,第8スイッチQ7,Q8のデューティ比とを調整することにより、第2蓄電池110から第1蓄電池100に流れる電流を制御する。
【0027】
第1,第2通電処理が実施されることにより、第1,第2蓄電池100,110には充放電電流が流れ、第1,第2蓄電池100,110が昇温される。この際、第1蓄電池100と第2蓄電池110との間で電気エネルギが相互に移動するため、電気エネルギの消費が抑えられる。
【0028】
次に、図3,図4に、制御部50が行う昇温制御の機能ブロック図を示す。制御部50は、指令値生成部51と、電流偏差算出部52と、PI制御部53と、PWM生成部54と、反転器55とを備えている。
【0029】
指令値生成部51は、昇温制御時におけるU,V,W相巻線31,32,33の指令電流を生成する。本実施形態では、図4に示すように、指令値生成部51は、昇温制御の1周期Tcにおいて、正弦波状に変化する指令電流IM*を生成する。具体的には、指令値生成部51は、第1通電処理が実施される第1期間P1において、正の半波となる指令電流IM*を生成し、第2通電処理が実施される第2期間P2において、負の半波となる指令電流IM*を生成する。本実施形態では、U,V,W相巻線31,32,33において、第1インバータ20に接続されている第1端側から、第2インバータに接続されている第2端側の向きに電流が流れる場合を正とし、第2端側から第1端側の向きに電流が流れる場合を負としている。
【0030】
本実施形態では、指令値生成部51は、指令電流IM*の1周期Tcにおいて、指令電流IM*のゼロクロスタイミングに対して、正の指令電流IM*と負の指令電流IM*とが点対称になるように指令電流IM*を生成する。これにより、指令電流IM*のゼロアップクロスタイミングからゼロダウンクロスタイミングまでの第1期間P1と、指令電流IM*のゼロダウンクロスタイミングからゼロアップクロスタイミングまでの第2期間P2とが同じ長さ(=Tc/2)とされる。また、1周期Tcにおいて、第1領域の面積S1と第2領域の面積S2とが等しくなる。第1領域S1は、1周期Tcにおいて、指令電流IM*のゼロアップクロスタイミングからゼロダウンクロスタイミングまでの時間軸と、正の指令電流IM*とで囲まれる領域である。第2領域は、1周期Tcにおいて、指令電流IM*のゼロダウンクロスタイミングからゼロアップクロスタイミングまでの時間軸と、負の指令電流IM*とで囲まれる領域である。「S1=S2」に設定されることにより、1周期Tcにおける第1蓄電池100及び第2蓄電池110の充放電電流の収支を合わせることができ、昇温制御に伴って第1蓄電池100の端子電圧と第2蓄電池110の端子電圧との差が大きくなることを抑制できる。
(【0031】以降は省略されています)

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