JP2015198499A

JP2015198499A - 電動機駆動装置

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Publication number: JP2015198499A
Application number: JP2014075036A
Authority: JP
Inventors: 岳志黒田; Takashi Kuroda; 鳥羽　章夫; Akio Toba; 章夫鳥羽
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2015-11-09

Abstract

【課題】電動機の回生動作時におけるインバータの損失を減少させ、バッテリ等の直流電源への回生電力を増加させる電動機駆動装置を提供する。【解決手段】バッテリ１０の電圧を所定の直流電圧に変換する昇圧チョッパ２０と、その出力により充電されるコンデンサ３０と、コンデンサ３０の直流電圧を交流電圧に変換して電動機に供給するインバータ４０と、チョッパ２０のスイッチング動作を制御する電圧制御手段８０と、インバータ４０のスイッチング動作を制御する電流制御手段７０と、を備え、電動機ＰＭにより生じた回生電力をインバータ４０、コンデンサ３０及びチョッパ２０を介してバッテリ１０に供給可能とした電動機駆動装置において、電動機ＰＭの回生動作時に、電流制御手段７０によりインバータ４０のスイッチングを停止すると共に、電圧制御手段８０によりチョッパ２０のスイッチングを行って回生電力をバッテリ１０に供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、電動機による発電電力を回生可能な電動機駆動装置に関し、例えば電気自動車やハイブリッド自動車に適用して好適な電動機駆動装置に関するものである。

図６は、電気自動車等に搭載された永久磁石型同期電動機の駆動装置の従来技術を示している。以下、この駆動装置の構成を説明する。
まず、主回路において、バッテリ１０の両極間には、昇圧チョッパ２０が接続されている。この昇圧チョッパ２０は、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子２１，２２の直列回路と、バッテリ１０の正極とスイッチング素子２１，２２同士の接続点との間に接続されたリアクトル２３と、を備えている。

スイッチング素子２１，２２の直列回路の両端にはコンデンサ３０が接続され、その両端には、三相ブリッジ接続されたＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子４１〜４６からなるインバータ４０が接続されている。
インバータ４０の交流端子には、駆動対象である車両駆動用の永久磁石型同期電動機ＰＭが接続される。

次に、制御回路において、電圧検出器８１により検出したコンデンサ３０の電圧Ｖ_ｄｃは第１の制御手段としての電圧制御手段８０に入力されている。電圧制御手段８０は、電圧検出値Ｖ_ｄｃが電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊に一致するように昇圧チョッパ２０のスイッチング素子２１，２２をスイッチングさせ、バッテリ１０の電圧を昇圧してコンデンサ３０に供給する。
また、電流検出器５０により検出した電動機ＰＭのｕ相電流ｉ_ｕ、ｗ相電流ｉ_ｗ（及びｖ相電流ｉ_ｖ）は、座標変換手段６０によりｄ−ｑ回転座標系のｄ軸電流ｉ_ｄ、ｑ軸電流ｉ_ｑに変換され、第２の制御手段としての電流制御手段７０に入力されている。この電流制御手段７０では、ｄ軸電流検出値ｉ_ｄ、ｑ軸電流検出値ｉ_ｑがｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊にそれぞれ一致するようにインバータ４０のスイッチング素子４１〜４６をスイッチングさせることにより、コンデンサ３０の直流電圧を三相交流電圧に変換して電動機ＰＭに供給し、所定のトルクを発生させている。
なお、図６とほぼ同様の構成の電動機駆動装置は、例えば特許文献１に記載されている。

特開２００７−３２５３５１号公報（段落［００１９］〜［００２４］、図１等）

いま、車両の走行中に運転者がブレーキを操作したりアクセルペダルを戻すことにより、電動機ＰＭが発電機として動作し、その誘起電圧がコンデンサ３０の電圧を超えると、昇圧チョッパ２０のスイッチング動作によりバッテリ１０に電力が回生される。この回生動作では、電動機軸入力電力から、電動機ＰＭ，インバータ４０及び昇圧チョッパ２０における各損失が差し引かれた電力がバッテリ１０に供給されることになる。なお、回生動作中も、インバータ４０のスイッチング素子４１〜４６はスイッチング動作を継続している。

しかし、回生動作時において、電動機ＰＭの誘起電圧がコンデンサ３０の電圧を超える時にはスイッチング素子４１〜４６の還流ダイオードを介してコンデンサ３０に電流が流れるため、スイッチング素子４１〜４６のオン・オフに関わらず、電動機ＰＭには制動トルクが発生する。つまり、回生動作時のスイッチング素子４１〜４６は、専らスイッチング損失のみを発生させていることになる。

また、電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊に従ってコンデンサ３０の電圧Ｖ_ｄｃを上昇させると、この電圧Ｖ_ｄｃが印加されている電動機ＰＭ，インバータ４０及び昇圧チョッパ２０における損失が増加するため、バッテリ１０に供給されるべき回生電力が減少し、結果として電気自動車やハイブリッド自動車の電費，燃費が低下するという問題があった。

そこで、本発明の解決課題は、電動機の回生動作時におけるインバータの損失を減少させ、バッテリ等の直流電源への回生電力を増加させて電費，燃費を向上させた電動機駆動装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、直流電源の電圧を所定の直流電圧に変換する半導体スイッチング素子を備えたチョッパと、前記チョッパの出力により充電されるコンデンサと、前記コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換して電動機に供給するための半導体スイッチング素子を備えたインバータと、前記チョッパのスイッチング動作を制御する第１の制御手段と、前記インバータのスイッチング動作を制御する第２の制御手段と、を備え、前記電動機により生じた回生電力を前記インバータ、前記コンデンサ及び前記チョッパを介して前記直流電源に供給可能とした電動機駆動装置において、
前記電動機の回生動作時に、前記第２の制御手段により前記インバータのスイッチングを停止すると共に、前記第１の制御手段により前記チョッパのスイッチングを行って前記回生電力を前記直流電源に供給するものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電動機駆動装置において、前記第１の制御手段により、前記コンデンサの電圧が電圧指令値に一致するように前記チョッパのスイッチングを制御して前記回生電力または前記電動機の制動トルクを所定値に制御するものである。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載した電動機駆動装置において、前記電圧指令値を、前記バッテリの電力指令値と電力検出値との偏差に基づいて生成するものである。

請求項４に係る発明は、請求項２に記載した電動機駆動装置において、前記電圧指令値を、前記電動機のトルク指令値とトルク検出値との偏差に基づいて生成するものである。

請求項５に係る発明は、請求項２〜４の何れか１項に記載した電動機駆動装置において、前記電圧指令値を、前記バッテリの電圧より大きく、かつ、前記電動機の誘起電圧より小さい値に設定するものである。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５の何れか１項に記載した電動機駆動装置において、前記バッテリの電圧が前記電動機の誘起電圧より小さく、かつ、前記電動機のトルクが負であるときに、前記第２の制御手段により前記インバータのスイッチングを停止するものである。

本発明によれば、電動機の回生動作時にインバータのスイッチングを停止するため、インバータのスイッチング損失を低減することができ、直流電源への供給電力を増加させることができる。これにより、本発明に係る駆動装置を備えた電気自動車やハイブリッド自動車の電費，燃費の向上が可能になる。

本発明の第１実施形態を示す回路構成図である。本発明の第２実施形態を示す回路構成図である。本発明の第３実施形態を示す回路構成図である。電動機の回転速度と誘起電圧及びバッテリ電圧との関係を示した特性図である。電動機の回転速度とトルクとの関係を図４に併記した特性図である。従来技術を示す回路構成図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の第１実施形態を示すもので、その回路構成は図６に示したものと同一である。
この第１実施形態は、電動機ＰＭの誘起電圧がコンデンサ３０の電圧より大きい場合に、スイッチング素子４１〜４６が全てオフであっても電動機ＰＭからスイッチング素子４１〜４６の還流ダイオード４１ａ〜４６ａを介してコンデンサ３０側に電流が流れ、電動機ＰＭに制動トルクが発生すると共に、昇圧チョッパ２０のスイッチング動作によりバッテリ１０へ回生電力を供給できることに着目したものである。

なお、図１では、電流制御手段７０からの指令によって全オフ状態となったスイッチング素子４１〜４６が破線によって示されており、インバータ４０は実質的に三相のダイオード整流器として動作している。
すなわち、この実施形態では、回生動作時にスイッチング素子４１〜４６のスイッチング損失が零になるので、少なくともインバータ４０における損失を低減してバッテリ１０への供給電力を従来よりも増加させることができる。

次に、図２は、本発明の第２実施形態を示す回路構成図である。なお、図２では、インバータ４０の制御回路の図示を省略してある。
電動機ＰＭによる回生電力及び制動トルクは、コンデンサ３０の電圧と電動機ＰＭの誘起電圧の大きさとによって決まるものである。そこで、第２実施形態では、回生電力または制動トルクを所定値に制御するためのコンデンサ３０の電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊を生成し、昇圧チョッパ２０のスイッチングによってコンデンサ３０の電圧Ｖ_ｄｃを電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊に一致させるように制御することとした。

この実施形態は、バッテリ１０の電力Ｐ_ｂａｔｔに基づいて回生電力を所定値に制御するように構成されている。図２において、乗算手段１０３は、電圧検出器１０１によるバッテリ１０の電圧検出値Ｖ_ｂａｔｔと電流検出器１０２によるバッテリ１０の電流検出値Ｉ_ｂａｔｔとを用いて、数式１の演算によりバッテリ１０の電力検出値Ｐ_ｂａｔｔを得る。

この電力検出値Ｐ_ｂａｔｔは、別途与えられる電力指令値Ｐ_ｂａｔｔ ^＊と共に減算手段１０４に入力され、両者の偏差が増幅手段９０により増幅されて電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊が生成される。なお、増幅手段９０は、電力指令値Ｐ_ｂａｔｔ ^＊と電力検出値Ｐ_ｂａｔｔとの偏差が零になるように動作して電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊を生成する調節手段であっても良い。
電圧制御手段８０は、コンデンサの電圧検出値Ｖ_ｄｃが電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊に一致するように昇圧チョッパ２０のスイッチング素子２１，２２を制御することにより、バッテリ１０の電力Ｐ_ｂａｔｔ、言い換えれば回生電力を所定値に制御することができる。

次に、図３は本発明の第３実施形態を示す回路構成図であり、図２と同様に、インバータ４０の制御回路については図示を省略してある。この第３実施形態は、コンデンサの電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊の演算手段が第２実施形態と異なっている。

図３において、座標変換手段６０から出力されたｄ軸電流検出値ｉ_ｄ、ｑ軸電流検出値ｉ_ｑはトルク演算手段１０５に入力されており、トルク演算手段１０５は、電流検出値ｉ_ｄ，ｉ_ｑと、電動機定数であるｄ軸インダクタンスＬ_ｄ、ｑ軸インダクタンスＬ_ｑ、永久磁石磁束Ψ_ａ、極対数Ｐ_ｎとを用いて、数式２により電動機ＰＭのトルクＴ_ｒｑを演算する。

減算手段１０４は、別途与えられるトルク指令値Ｔ_ｒｑ ^＊とトルク演算値Ｔ_ｒｑとの偏差を求め、この偏差が増幅手段９０により増幅されてコンデンサ３０の電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊が生成される。ここで、増幅手段９０は、トルク指令値Ｔ_ｒｑ ^＊とトルク演算値Ｔ_ｒｑとの偏差が零になるように動作して電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊を生成する調節手段であっても良い。
電圧制御手段８０は、第２実施形態と同様に、電圧検出値Ｖ_ｄｃが電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊に一致するように昇圧チョッパ２０のスイッチング素子２１，２２を制御することにより、電動機ＰＭのトルクをトルク指令値Ｔ_ｒｑ ^＊に一致させながら回生電力を所定値に制御することができる。

なお、図４は、電動機ＰＭの回転速度と誘起電圧及びバッテリ電圧との関係を示した特性図である。
上述した第１〜第３実施形態によりインバータ４０のスイッチングを停止する場合には、電圧制御手段８０に入力されるコンデンサ３０の電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊が、図４に示すように、バッテリ１０の電圧より大きく電動機ＰＭの誘起電圧より小さいことが必要である。電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊がこの範囲を逸脱していると、コンデンサ３０の電圧Ｖ_ｄｃが電動機ＰＭの誘起電圧より高く、あるいは、コンデンサ３０の電圧Ｖ_ｄｃがバッテリ１０の電圧Ｖ_ｂａｔｔより低いことになり、バッテリ１０への電力の回生が不可能になる。
電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊を図４の範囲に設定するには、例えば、誘起電圧検出値やバッテリ電圧検出値を用いたリミッタ、コンパレータ等を用いれば良い。

また、図５は、電動機ＰＭの回転速度とトルクとの関係を図４に併記した特性図である。
本発明においてインバータ４０のスイッチングを停止するのは、電動機ＰＭの誘起電圧がバッテリ１０の電圧より大きい場合であって、回生動作を行っている時である。従って、図５に示すように、誘起電圧がバッテリ１０の電圧より大きく、しかも、電動機ＰＭのトルクが負（制動トルク）であることを検出した時に、インバータ４０のスイッチングを停止すれば良い。
ここで、電動機ＰＭのトルクが負であることは、例えば図３におけるトルク演算値Ｔ_ｒｑやトルク指令値Ｔ_ｒｑ＊の極性が負であることから検出可能である。

本発明は、永久磁石形同期電動機ばかりでなく、例えば、誘導電動機の駆動装置にも利用することができる。また、インバータ及び電動機の相数も、単相、多相を問わず適用可能である。
更に、車両駆動用の電動機以外に、各種の産業分野において使用される電動機の駆動装置にも利用することができる。

１０：バッテリ
２０：昇圧チョッパ
２１，２２：半導体スイッチング素子
２３：リアクトル
３０：コンデンサ
４０：インバータ
４１〜４６：半導体スイッチング素子
４１ａ〜４６ａ：還流ダイオード
５０：電流検出器
６０：座標変換手段
７０：電流制御手段
８０：電圧制御手段
８１：電圧検出器
９０：増幅手段
１０１：電圧検出器
１０２：電流検出器
１０３：乗算手段
１０４：減算手段
１０５：トルク演算手段

Claims

直流電源の電圧を所定の直流電圧に変換する半導体スイッチング素子を備えたチョッパと、前記チョッパの出力側に接続されたコンデンサと、前記コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換して電動機に供給するための半導体スイッチング素子を備えたインバータと、前記チョッパのスイッチング動作を制御する第１の制御手段と、前記インバータのスイッチング動作を制御する第２の制御手段と、を備え、前記電動機により生じた回生電力を前記インバータ、前記コンデンサ及び前記チョッパを介して前記直流電源に供給可能とした電動機駆動装置において、
前記電動機の回生動作時に、前記第２の制御手段により前記インバータのスイッチングを停止すると共に、前記第１の制御手段により前記チョッパのスイッチングを行って前記回生電力を前記直流電源に供給することを特徴とする電動機駆動装置。
請求項１に記載した電動機駆動装置において、
前記第１の制御手段により、前記コンデンサの電圧が電圧指令値に一致するように前記チョッパのスイッチングを制御して前記回生電力または前記電動機の制動トルクを所定値に制御することを特徴とする電動機駆動装置。
請求項２に記載した電動機駆動装置において、
前記電圧指令値を、前記バッテリの電力指令値と電力検出値との偏差に基づいて生成することを特徴とする電動機駆動装置。
請求項２に記載した電動機駆動装置において、
前記電圧指令値を、前記電動機のトルク指令値とトルク検出値との偏差に基づいて生成することを特徴とする電動機駆動装置。
請求項２〜４の何れか１項に記載した電動機駆動装置において、
前記電圧指令値を、前記バッテリの電圧より大きく、かつ、前記電動機の誘起電圧より小さい値に設定することを特徴とする電動機駆動装置。
請求項１〜５の何れか１項に記載した電動機駆動装置において、
前記バッテリの電圧が前記電動機の誘起電圧より小さく、かつ、前記電動機のトルクが負であるときに、前記第２の制御手段により前記インバータのスイッチングを停止することを特徴とする電動機駆動装置。