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公開番号2025008108
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-20
出願番号2023109988
出願日2023-07-04
発明の名称車載充電装置
出願人株式会社アイシン,国立大学法人名古屋工業大学
代理人弁理士法人R&C
主分類H02J 7/00 20060101AFI20250109BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】回転電機とインバータと直流電源とを備えた車両用駆動装置の当該直流電源を、当該回転電機のコイル及び当該インバータを利用して、外部交流電源からの電力により充電する車載充電装置をシステムコストの増加を抑制して構成する。
【解決手段】車載充電装置10は、外部交流電源4の側の交流電力と第1の直流電力との間で電力を変換する交流直流コンバータ1と、インバータ5、複数相のコイル7、及び出力キャパシタCsを含んで構成され、第1の直流電力から直流電源3を充電する第2の直流電力を生成するアクティブデカップリング回路2とを備え、交流直流コンバータ1の直流側端子T1dとインバータ5の直流側端子T5dとが他の受動部品を介することなく接続され、出力キャパシタCsが、コイル7の中性点7Nと直流の負極との間に接続されている。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
中性点で互いに接続された複数相のコイルを備え、車輪の駆動力源となる回転電機と、直流と複数相の交流との間で電力を変換するインバータと、前記インバータに接続された直流電源と、を備えた車両用駆動装置の前記直流電源を、外部交流電源から供給される電力によって充電する車載充電装置であって、
前記外部交流電源の側の交流電力と第１の直流電力との間で電力を変換する交流直流コンバータと、
前記インバータ、複数相の前記コイル、及び出力キャパシタを含んで構成され、前記第１の直流電力から前記直流電源を充電する第２の直流電力を生成するアクティブデカップリング回路と、を備え、
前記交流直流コンバータの直流側端子と前記インバータの直流側端子とが他の受動部品を介することなく接続され、
前記出力キャパシタが、前記コイルの前記中性点と直流の負極との間に接続されている、車載充電装置。
続きを表示（約 670 文字）【請求項２】
前記直流電源と前記インバータの直流側端子との電気的接続を断接する第１コンタクタと、
前記中性点と前記出力キャパシタとの電気的接続を断接する第２コンタクタと、を備え、
前記第１コンタクタが閉成されると共に前記第２コンタクタが開放された状態で、前記インバータを介して前記直流電源と前記回転電機との間で電力が変換され、
前記第１コンタクタ及び前記第２コンタクタが共に閉成された状態で、前記交流直流コンバータ、及び前記インバータを含む前記アクティブデカップリング回路を介して前記外部交流電源と前記直流電源との間で電力が変換される、請求項１に記載の車載充電装置。
【請求項３】
前記インバータは、直流の正極と前記負極との間に、上段側スイッチング素子と下段側スイッチング素子とが直列に接続されたアームを、複数相の交流の相数に応じて複数本並列に備えて構成され、
前記インバータが前記アクティブデカップリング回路として機能する場合には、複数の前記上段側スイッチング素子が同時にスイッチング制御されると共に、複数の前記下段側スイッチング素子が同時にスイッチング制御される、請求項１又は２に記載の車載充電装置。
【請求項４】
前記インバータは、前記出力キャパシタを流れる電流の位相が、前記交流直流コンバータにおける交流の電流の位相に一致するように、複数の前記上段側スイッチング素子、及び複数の前記下段側スイッチング素子がスイッチング制御される、請求項３に記載の車載充電装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、車載充電装置に関する。
続きを表示（約 3,600 文字）【背景技術】
【０００２】
特表２０２２－５０３７１３号には、電気自動車やハイブリッド自動車などの車輪の駆動力源として回転電機を備えた車両に搭載された直流電源を、車両に搭載された状態で充電する車載充電装置（オンボードチャージャー、Onboard charger）が開示されている（背景技術において括弧内の符号は参照する文献のもの。）。この文献の図３には、単相の外部交流電源（３１０）がＹ字接続された３相のコイルの中性点に接続され、当該３相のコイルのそれぞれにインバータ（２２０）の交流側のそれぞれのアームが接続され、インバータ（２２０）の直流側端子に直流直流コンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）の入力側端子が接続され、直流直流コンバータの出力側端子に直流電源が接続された車載充電装置が例示されている。３相のコイル及びインバータ（２２０）は、外部交流電源（３１０）からの正弦波のグリッド電流を直流に変換する交流直流コンバータ（ＡＣ／ＤＣコンバータ）を形成している。インバータ（２２０）がスイッチング制御されることにより、この交流直流コンバータは交流電力から変換される直流電力の力率を改善する力率改善（ＰＦＣ：power factor correction）回路としても機能する。交流直流変換後の電流には、外部交流電源（３１０）の周波数（系統周波数）の２倍の周波数のリップルが生じる。直流直流コンバータは、このリップルを低減して直流電源を充電するためのバッテリ電流を生成する。また、交流直流コンバータと直流直流コンバータとの間には平滑キャパシタも備えられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特表２０２２－５０３７１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、例えば電気自動車やハイブリッド自動車における車載充電装置では、３相のコイルとして、当該車両における駆動力源の回転電機のステータに備えられたコイル（ステータコイル）を用いることができる。しかし、このような回転電機は、高電力密度となるように設計されており、インダクタンスが小さい。上記文献の図３にも例示されているように、中性点に単相の外部交流電源が接続されて交流直流コンバータが形成された場合、交流直流変換の際に、外部交流電源の系統電流の高調波電流のピーク値が大きくなる傾向がある。
【０００５】
これを抑制するための１つの方法として、交流直流コンバータを構成するインバータの制御周波数を高くすることが考えられる。或いは、直流直流コンバータの側でリップルを軽減するべく、直流直流コンバータの制御周波数を高くことが考えられる。但し、制御周波数を高くする場合には、インバータや直流直流コンバータを制御する制御装置の制御周期（動作周波数）も短くする必要がある。また、早い制御周期に伴う高い周波数でのスイッチングは、インバータ及び直流直流コンバータが備えるスイッチング素子における損失を増大させ、車載充電装置の効率の低下に繋がる。また、制御装置として、高速動作が可能なマイクロコンピュータ等を用いる必要が生じ、車載充電装置のコストの上昇に繋がる。あるいは別の方法として、外部交流電源と複数相のコイルの中性点との間に、インダクタを追加することも考えられる。しかし、この場合も、インダクタの追加により車載充電装置のコストが上昇する。また、交流直流コンバータと直流直流コンバータとの間に備えられている平滑キャパシタにも大きな容量が求められ、体格の大型化に伴う車載充電装置の大型化やコスト上昇につながり易い。
【０００６】
上記に鑑みて、回転電機とインバータと直流電源とを備えた車両用駆動装置の当該直流電源を、当該回転電機のコイル及び当該インバータを利用して、外部交流電源からの電力により充電する車載充電装置をシステムコストの増加を抑制して構成することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記に鑑みた車載充電装置は、中性点で互いに接続された複数相のコイルを備え、車輪の駆動力源となる回転電機と、直流と複数相の交流との間で電力を変換するインバータと、前記インバータに接続された直流電源と、を備えた車両用駆動装置の前記直流電源を、外部交流電源から供給される電力によって充電する車載充電装置であって、前記外部交流電源の側の交流電力と第１の直流電力との間で電力を変換する交流直流コンバータと、前記インバータ、複数相の前記コイル、及び出力キャパシタを含んで構成され、前記第１の直流電力から前記直流電源を充電する第２の直流電力を生成するアクティブデカップリング回路と、を備え、前記交流直流コンバータの直流側端子と前記インバータの直流側端子とが他の受動部品を介することなく接続され、前記出力キャパシタが、前記コイルの前記中性点と直流の負極との間に接続されている。
【０００８】
この構成によれば、適切なインダクタンスが必要な交流直流コンバータが、回転電機の駆動系回路（回転電機のコイル及び回転電機を駆動するインバータ）を用いることなく構成される。車載充電装置に回転電機のコイルを用いる場合、当該コイルのインダクタンスが小さいことにより、必要な性能を確保することが困難となる場合がある。しかし、本構成によれば、回転電機のコイルを用いることなく、適切なインダクタンスが設定可能な交流直流コンバータにより、力率改善機能などの充分な性能を確保して交流直流変換が可能な交流直流コンバータを構成することができる。さらに、交流直流コンバータに適切なインダクタンスを設定可能なことにより、交流直流コンバータを短い制御周期（高い制御周波数）で制御する必要もなく、交流直流コンバータを構成するスイッチング素子の損失も低減し易い。従って、車載充電装置のシステム効率も高くし易い。また、交流直流コンバータにより交流から変換された直流には、脈動成分が重畳されることから、一般的には交流直流コンバータの後段に脈動成分を平滑するためのデカップリングキャパシタを介して直流直流コンバータが配置されることが多い。本構成によれば、そのようなデカップリングキャパシタを介することなく交流直流コンバータに接続されるアクティブデカップリング回路により脈動成分を低減させることができるので、回路規模を小さく抑え易い。また、アクティブデカップリング回路を構成するスイッチング素子やインダクタとして、回転電機を駆動するためのインバータ及び回転電機のコイルを兼用することができ、車載システム全体の回路規模も小さく抑え易い。即ち、本構成によれば、回転電機とインバータと直流電源とを備えた車両用駆動装置の当該直流電源を、当該回転電機のコイル及び当該インバータを利用して、外部交流電源からの電力により充電する車載充電装置をシステムコストの増加を抑制して構成することができる。
【０００９】
車載充電装置のさらなる特徴と利点は、図面を参照して説明する例示的且つ非限定的な実施形態についての以下の記載から明確となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
回転電機の駆動制御システムの模式的な回路ブロック図
回転電機の駆動制御システムを利用した車載充電装置の一例を示す回路ブロック図
図２に示す回路ブロック図を変形した機能ブロック図
アクティブデカップリング回路における電流の流れを示す図（出力キャパシタ充電中（キャパシタ電流が正で増加））
アクティブデカップリング回路における電流の流れを示す図（出力キャパシタ充電中（キャパシタ電流が正で減少））
アクティブデカップリング回路における電流の流れを示す図（出力キャパシタ放電中（キャパシタ電流が負でキャパシタ電流の絶対値が増加））
アクティブデカップリング回路における電流の流れを示す図（出力キャパシタ放電中（キャパシタ電流が負でキャパシタ電流の絶対値が減少））
グリッド電圧、グリッド電流、キャパシタ電流、キャパシタ電圧の関係を示す波形図
キャパシタ電流を制御する際のパル幅変調を示す波形図
回転電機の駆動制御システムを利用した車載充電装置の第１の比較例を示す回路ブロック図
回転電機の駆動制御システムを利用した車載充電装置の第２の比較例を示す回路ブロック図
【発明を実施するための形態】
（【００１１】以降は省略されています）

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