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JP2024115455A - On-board charging equipment - Google Patents

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JP2024115455A
JP2024115455A JP2023021162A JP2023021162A JP2024115455A JP 2024115455 A JP2024115455 A JP 2024115455A JP 2023021162 A JP2023021162 A JP 2023021162A JP 2023021162 A JP2023021162 A JP 2023021162A JP 2024115455 A JP2024115455 A JP 2024115455A
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JP
Japan
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voltage
converter
power
control
charging
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Pending
Application number
JP2023021162A
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Japanese (ja)
Inventor
スブラタ サハ
Suburata Saha
充 高橋
Mitsuru Takahashi
智也 平野
Tomoya Hirano
真 田口
Makoto Taguchi
卓 小坂
Suguru Kosaka
裕明 松盛
Hiroaki Matsumori
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nagoya Institute of Technology NUC
Aisin Corp
Original Assignee
Nagoya Institute of Technology NUC
Aisin Corp
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Publication date
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Priority to PCT/JP2024/004926 priority patent/WO2024172050A1/en
Priority to CN202480011955.9A priority patent/CN120677084A/en
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Abstract

To provide an on-vehicle charging apparatus that can charge a DC power source of a vehicular driving device with electric power from an external AC power source, with high efficiency, while utilizing a coil of a rotary electric machine and an inverter.SOLUTION: An on-vehicle charging apparatus comprises an AC-DC converter that converts AC power from an external AC power source to DC power, a DC-DC converter, and a control device, where one of the converters is configured using an inverter of a vehicular driving device and multi-phase coils, and a smooth capacitor is arranged between the converters. The control device executes constant power charging control so that charging power Pbat is constant until a terminal voltage Vbat of a DC power source reaches a second voltage Vbat_s from a state where the terminal voltage is lower than the second voltage Vbat_s which is lower than a voltage Vbat_s in a fully charged state. In the constant power charging control, the control device executes variable DC voltage control so that a terminal voltage Vdc of the smooth capacitor increases in accordance with an increase in the terminal voltage Vbat of the DC power source.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、車載充電装置に関する。 The present invention relates to an on-board charging device.

特開2015-201382号公報には、直流電源(二次電池)を外部電源から供給される電力により充電する際の充電制御方法として、定電流定電圧充電制御が開示されている。具体的には、直流電源の充電状態(SOC:state of charge)が低い場合には、直流電源に一定の電流を供給する定電流充電制御によって直流電源が充電される。定電流充電制御による充電が進むに従って、SOCの値は上昇し、直流電源の端子電圧(バッテリ電圧)も上昇する。SOCが予め設定された値まで上昇すると、或いはバッテリ電圧が予め設定された値まで上昇すると、定電流充電制御から定電圧充電制御に制御方法が切り替えられる。定電圧充電制御では、直流電源に印加される電圧を一定に保ちながら充電を継続する。直流電源への印加電圧が一定に保持されるため、充電電流は次第に低下し、充電電流が予め設定された電流値まで減少すると充電が終了される。定電流定電圧充電制御では、直流電源の過充電(過電圧)を抑制しつつ、比較的短い時間で直流電源を充電することができる。 JP 2015-201382 A discloses constant current/constant voltage charging control as a charging control method when charging a DC power source (secondary battery) with power supplied from an external power source. Specifically, when the state of charge (SOC) of the DC power source is low, the DC power source is charged by constant current charging control that supplies a constant current to the DC power source. As charging by constant current charging control progresses, the value of the SOC increases, and the terminal voltage (battery voltage) of the DC power source also increases. When the SOC increases to a preset value or the battery voltage increases to a preset value, the control method is switched from constant current charging control to constant voltage charging control. In constant voltage charging control, charging continues while keeping the voltage applied to the DC power source constant. Since the voltage applied to the DC power source is kept constant, the charging current gradually decreases, and when the charging current decreases to a preset current value, charging is terminated. Constant current/constant voltage charging control allows the DC power source to be charged in a relatively short time while preventing overcharging (overvoltage) of the DC power source.

特開2015-201382号公報JP 2015-201382 A

例えば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は、車両に搭載された状態で直流電源を充電する車載充電装置(オンボードチャージャ)が備えられている場合がある。そして、この場合には、車載充電装置を構成する回路の一部が、回転電機のコイル(ステータコイル)を含む回転電機の駆動系回路を利用して構成されることがある。多くの場合、回転電機と直流電源との間には、直流と交流との間で電力を変換するインバータが配置され、インバータと直流電源との間には直流電圧を平滑する平滑コンデンサが配置される。インバータ及び平滑コンデンサが車載充電装置に利用される回転電機の駆動系回路に含まれる場合、定電流定電圧充電において平滑コンデンサの端子間電圧(直流リンク電圧)は一定の電圧値に保持されることが多い。一方、直流電源の端子間電圧(バッテリ電圧)は、SOCが低い充電制御の開始時には低く、定電流充電制御の進行に伴って上昇する。従って、充電制御の開始時には、直流リンク電圧とバッテリ電圧との電圧差が大きく、車載充電装置におけるスイッチング損失などの損失が大きくなる傾向がある。即ち、従来の定電流定電圧充電制御では、車載充電装置における損失が大きくなる傾向がある。 For example, vehicles equipped with a rotating electric machine as a driving force source for wheels, such as electric vehicles and hybrid vehicles, may be equipped with an on-board charging device (on-board charger) that charges a DC power source while mounted on the vehicle. In this case, a part of the circuit constituting the on-board charging device may be configured using a driving circuit of the rotating electric machine including a coil (stator coil) of the rotating electric machine. In many cases, an inverter that converts power between DC and AC is arranged between the rotating electric machine and the DC power source, and a smoothing capacitor that smoothes the DC voltage is arranged between the inverter and the DC power source. When an inverter and a smoothing capacitor are included in the driving circuit of the rotating electric machine used in the on-board charging device, the terminal voltage (DC link voltage) of the smoothing capacitor is often maintained at a constant voltage value in constant current constant voltage charging. On the other hand, the terminal voltage (battery voltage) of the DC power source is low at the start of charging control when the SOC is low, and increases as the constant current charging control progresses. Therefore, at the start of charging control, the voltage difference between the DC link voltage and the battery voltage is large, and losses such as switching losses in the on-board charging device tend to be large. In other words, conventional constant current, constant voltage charging control tends to result in large losses in the on-board charging device.

また、定電流充電制御では、制御の経過に伴ってバッテリ電圧が上昇する。このため直流電源に流れる電流とバッテリ電圧とに基づく充電電力は一定ではなく、制御の経過に伴って上昇する。充電制御の初期には充電電力は小さく、定電流充電制御の経過に伴って充電電力が大きくなる。つまり、直流電源は、許容される最大充電電力で充電されないため、充電時間が長くなる傾向がある。従って、従来の定電流定電圧制では、充電効率及び上述したスイッチング素子の損失を含めた車載充電装置のシステム効率に向上の余地がある。 In addition, in constant current charging control, the battery voltage increases as the control progresses. Therefore, the charging power based on the current flowing through the DC power supply and the battery voltage is not constant, but increases as the control progresses. The charging power is small at the beginning of the charging control, and increases as the constant current charging control progresses. In other words, the DC power supply is not charged with the maximum allowable charging power, so the charging time tends to be long. Therefore, in the conventional constant current constant voltage system, there is room for improvement in the charging efficiency and the system efficiency of the on-board charging device, including the loss of the switching element described above.

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、高い効率で充電することができる車載充電装置の実現が望まれる。 In light of the above, it is desirable to realize an on-board charging device that can charge the DC power supply of a vehicle drive device equipped with a rotating electric machine, an inverter, and a DC power supply with high efficiency using the coil of the rotating electric machine and the inverter with power from an external AC power supply.

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、単相の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、前記外部交流電源からの交流電力を直流電力に変換する交流直流コンバータと、前記交流直流コンバータにより変換された直流電力の電圧を変換する直流直流コンバータと、前記交流直流コンバータと前記直流直流コンバータとの間に配置され、前記交流直流コンバータにより変換された直流電力の電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記交流直流コンバータ及び前記直流直流コンバータを制御する制御装置と、を備え、前記交流直流コンバータ及び前記直流直流コンバータの何れか一方は、前記インバータと複数相の前記コイルとを用いて構成され、前記交流直流コンバータの交流側端子は、前記外部交流電源に接続され、前記交流直流コンバータの直流側端子は、前記直流直流コンバータの第1端子に接続され、前記直流直流コンバータの前記第1端子とは異なる第2端子は、前記直流電源に接続され、前記制御装置は、前記直流電源が満充電状態の場合の前記直流電源の端子電圧を第1電圧とし、前記第1電圧よりも低く予め設定された電圧を第2電圧として、前記直流電源の端子電圧が、前記第2電圧よりも低い状態から前記第2電圧に達するまでは、充電制御として、前記直流電源に流れる電流と前記直流電源の端子電圧に基づく充電電力が一定となるように定電力充電制御を実行し、前記定電力充電制御においては、前記直流電源の端子電圧が上昇することに応じて、前記平滑コンデンサの端子電圧が上昇するように可変直流電圧制御を実行する。 In view of the above, an on-board charging device is an on-board charging device that charges the DC power supply of a vehicle drive device, which includes a rotating electric machine that serves as a driving force source for wheels, an inverter that converts power between DC and multiple-phase AC, and a DC power supply connected to the inverter, with power supplied from a single-phase external AC power supply, and is equipped with an AC-DC converter that converts AC power from the external AC power supply into DC power, a DC-DC converter that converts the AC power from the external AC power supply into DC power, a smoothing capacitor that is disposed between the AC-DC converter and the DC-DC converter and that smooths the voltage of the DC power converted by the AC-DC converter, and a control device that controls the AC-DC converter and the DC-DC converter, and one of the AC-DC converter and the DC-DC converter is connected to the inverter. and a plurality of phases of the coils, the AC side terminal of the AC-DC converter is connected to the external AC power source, the DC side terminal of the AC-DC converter is connected to a first terminal of the DC-DC converter, and a second terminal different from the first terminal of the DC-DC converter is connected to the DC power source, and the control device sets the terminal voltage of the DC power source when the DC power source is fully charged as a first voltage, sets a voltage that is preset lower than the first voltage as a second voltage, and performs constant power charging control as charging control until the terminal voltage of the DC power source reaches the second voltage from a state lower than the second voltage, so that the charging power based on the current flowing through the DC power source and the terminal voltage of the DC power source is constant, and in the constant power charging control, variable DC voltage control is performed so that the terminal voltage of the smoothing capacitor increases in response to an increase in the terminal voltage of the DC power source.

この構成によれば、直流電源の充電状態(SOC:State of Charge)が低く、直流電源の端子電圧が第2電圧未満の状態から、端子電圧が第2電圧に達するまでは、充電電力が一定となるように定電力充電制御が実行される。従って、直流電源は、許容される最大充電電力で充電されることも可能となるため、充電時間の短縮が可能となる。また、定電力充電制御の実行中には、可変直流電圧制御も実行される。定電力充電制御の実行に伴って第2電圧未満から第2電圧へ向かって上昇する直流電源の端子電圧と同様に、平滑コンデンサの端子電圧も上昇するように制御されるので、平滑コンデンサの端子電圧が第2電圧よりも高い一定の電圧に保持される場合に比べて、直流直流コンバータの入力側と出力側との電圧差を比較的小さく保持し易い。その結果、車載充電装置におけるスイッチング損失などの損失を低減し易い。このように、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、高い効率で充電することができる車載充電装置を実現することができる。 According to this configuration, constant power charging control is executed so that the charging power is constant from a state in which the state of charge (SOC) of the DC power source is low and the terminal voltage of the DC power source is less than the second voltage until the terminal voltage reaches the second voltage. Therefore, the DC power source can be charged with the maximum allowable charging power, so that the charging time can be shortened. In addition, variable DC voltage control is also executed during execution of the constant power charging control. Since the terminal voltage of the smoothing capacitor is controlled to rise in the same way as the terminal voltage of the DC power source, which rises from less than the second voltage toward the second voltage as a result of execution of the constant power charging control, the voltage difference between the input side and the output side of the DC-DC converter is easily kept relatively small compared to the case in which the terminal voltage of the smoothing capacitor is held at a constant voltage higher than the second voltage. As a result, it is easy to reduce losses such as switching losses in the on-board charging device. In this way, with this configuration, it is possible to realize an on-board charging device that can charge the DC power supply of a vehicle drive device equipped with a rotating electric machine, an inverter, and a DC power supply with high efficiency using the coil of the rotating electric machine and the inverter with power from an external AC power supply.

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。 Further features and advantages of the on-board charging device will become apparent from the following description of exemplary, non-limiting embodiments, which are illustrated in the drawings.

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Schematic circuit block diagram of a drive control system for a rotating electric machine 車載充電装置のシステム構成の模式的ブロック図Schematic block diagram of the system configuration of an in-vehicle charging device 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A circuit block diagram showing an example of an on-board charging device using a drive control system for a rotating electric machine. 充電制御の一例を示すグラフGraph showing an example of charging control 充電制御の比較例を示すグラフGraph showing a comparison example of charging control 交流直流コンバータの模式的制御ブロック図Schematic control block diagram of AC-DC converter 直流直流コンバータの模式的制御ブロック図Schematic control block diagram of a DC-DC converter プリチャージ制御における電流の経路の一例を示す図FIG. 1 is a diagram showing an example of a current path in precharge control; プリチャージ制御における電流の経路の比較例を示す図FIG. 1 is a diagram showing a comparative example of a current path in precharge control; プリチャージ制御における電流の経路の他の比較例を示す図FIG. 13 is a diagram showing another comparative example of a current path in precharge control; 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他の例を示す回路ブロック図A circuit block diagram showing another example of an on-board charging device using a drive control system for a rotating electric machine.

以下、車載充電装置の実施形態を図面も参照して説明する。車載充電装置10は、図1に示すような車両用駆動装置9に備えられた直流電源3を、車両に搭載された状態で充電する装置である。図1は、車両用駆動装置9に含まれる回転電機70の駆動制御システムの模式的な回路ブロック図であり、図2は、車載充電装置10のシステム構成の模式的ブロック図である。図1に示すように、本実施形態の車両用駆動装置9は、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車輪の駆動力源となる回転電機70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5と、インバータ5に接続された直流電源3とを備えている。尚、車両用駆動装置9が、回転電機70に加えて不図示の内燃機関などの他の駆動力源も備えていることを妨げるものではない。図2に示すように、車載充電装置10は、車両用駆動装置9の直流電源3を、単相の外部交流電源4(グリッド電源)から供給される電力によって充電する装置であり、いわゆるオンボードチャージャー(Onboard charger)と称される装置である。本実施形態では、車載充電装置10は、車両用駆動装置9と一部を共用して構成されている。具体的には、インバータ5、回転電機70のコイル7が共用されている。好ましくは、後述するように、インバータ5を駆動する制御装置8や、直流電圧を平滑する平滑コンデンサ(直流リンクコンデンサ6)も共用されている。 Hereinafter, an embodiment of the vehicle-mounted charging device will be described with reference to the drawings. The vehicle-mounted charging device 10 is a device that charges the DC power source 3 provided in the vehicle drive device 9 as shown in FIG. 1 while mounted on the vehicle. FIG. 1 is a schematic circuit block diagram of a drive control system for a rotating electric machine 70 included in the vehicle drive device 9, and FIG. 2 is a schematic block diagram of the system configuration of the vehicle-mounted charging device 10. As shown in FIG. 1, the vehicle drive device 9 of this embodiment includes a rotating electric machine 70 that serves as a driving force source for wheels of a hybrid vehicle, an electric vehicle, etc., an inverter 5 that converts power between DC and multiple phase AC, and a DC power source 3 connected to the inverter 5. Note that this does not prevent the vehicle drive device 9 from also including other driving force sources such as an internal combustion engine (not shown) in addition to the rotating electric machine 70. As shown in FIG. 2, the vehicle-mounted charging device 10 is a device that charges the DC power source 3 of the vehicle drive device 9 with power supplied from a single-phase external AC power source 4 (grid power source), and is a device that is so-called an onboard charger. In this embodiment, the vehicle-mounted charging device 10 is configured to share some parts with the vehicle drive device 9. Specifically, the inverter 5 and the coil 7 of the rotating electric machine 70 are shared. Preferably, as described below, the control device 8 that drives the inverter 5 and the smoothing capacitor (DC link capacitor 6) that smoothes the DC voltage are also shared.

図1に示すように、車両用駆動装置9は、車両の駆動力源となる回転電機70を制御対象とする制御装置8を備え、制御装置8は、電流フィードバック制御を行うことによって回転電機70を駆動制御する。駆動対象の回転電機70は、ステータコアに複数相(Nを任意の自然数としてN相、本実施形態ではN=3の3相の形態を例示する)のコイル7(ステータコイル)が配置されたステータと、ロータコアに永久磁石が配置されたロータとを有する埋め込み永久磁石型回転電機(IPMSM : Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)である。このような構成は公知であり、本実施形態では、ステータコア、ステータ、ロータコア、ロータ、永久磁石等の図示は省略している。本実施形態では、3相のコイル7(U相コイル7u、V相コイル7v、W相コイル7w:図3、図11等参照)が中性点7Nで短絡されたY型の形態を例示している。しかし、回転電機70は、例えば3相のコイル7を2組備え、6相の交流により駆動される形態であってもよい。尚、回転電機70は、電動機としても発電機としても機能することができる。回転電機70が電動機として機能するとき、回転電機70は力行状態であり、回転電機70が発電機として機能するとき、回転電機70は回生状態である。 As shown in FIG. 1, the vehicle drive device 9 includes a control device 8 that controls a rotating electric machine 70 that serves as a driving force source for the vehicle, and the control device 8 drives and controls the rotating electric machine 70 by performing current feedback control. The rotating electric machine 70 to be driven is an interior permanent magnet type rotating electric machine (IPMSM: Interior Permanent Magnet Synchronous Motor) having a stator in which multiple phases (N phases, where N is any natural number; in this embodiment, a three-phase form with N=3 is illustrated) of coils 7 (stator coils) are arranged in a stator core, and a rotor in which a permanent magnet is arranged in a rotor core. This configuration is well known, and in this embodiment, the stator core, stator, rotor core, rotor, permanent magnets, etc. are not illustrated. In this embodiment, a Y-shaped form in which three-phase coils 7 (U-phase coil 7u, V-phase coil 7v, W-phase coil 7w: see FIG. 3, FIG. 11, etc.) are short-circuited at a neutral point 7N is illustrated. However, the rotating electric machine 70 may have, for example, two sets of three-phase coils 7 and be driven by six-phase AC. The rotating electric machine 70 can function both as an electric motor and as a generator. When the rotating electric machine 70 functions as an electric motor, the rotating electric machine 70 is in a power running state, and when the rotating electric machine 70 functions as a generator, the rotating electric machine 70 is in a regenerative state.

図1に示すように、車両用駆動装置9は、インバータ5を備えている(図3、図11等も参照)。インバータ5は、交流の回転電機70及び直流電源3に接続されて、複数相の交流と直流との間で電力を変換する。インバータ5の一対の直流側端子(直流リンク端子T5d)は、直流電源3の正負両極端子に接続されている。具体的には、一対の直流リンク端子T5dの内の正極側の端子(直流リンク正極端子T5P)が直流電源3の正極に接続され、一対の直流リンク端子T5dの内の負極側の端子(直流リンク負極端子T5N)が直流電源3の負極に接続されている。また、インバータ5の複数相の交流側端子(コイル側端子T5a)は、複数相のコイル7のそれぞれに接続されている。本実施形態では、インバータ5が、複数相のアームとして、U相アーム、V相アーム、W相アームを備えており、それぞれのアームの中点がコイル側端子T5aに接続されている。U相アームの中点とU相コイル7uとが接続され、V相アームの中点とV相コイル7vとが接続され、W相アームの中点とW相コイル7wとが接続される。 As shown in FIG. 1, the vehicle drive device 9 includes an inverter 5 (see also FIG. 3, FIG. 11, etc.). The inverter 5 is connected to an AC rotating electric machine 70 and a DC power source 3 to convert power between multiple phases of AC and DC. A pair of DC side terminals (DC link terminals T5d) of the inverter 5 are connected to both positive and negative terminals of the DC power source 3. Specifically, the positive terminal (DC link positive terminal T5P) of the pair of DC link terminals T5d is connected to the positive electrode of the DC power source 3, and the negative terminal (DC link negative terminal T5N) of the pair of DC link terminals T5d is connected to the negative electrode of the DC power source 3. In addition, the multiple phase AC side terminals (coil side terminals T5a) of the inverter 5 are connected to each of the multiple phase coils 7. In this embodiment, the inverter 5 includes a U-phase arm, a V-phase arm, and a W-phase arm as multiple phase arms, and the midpoints of each arm are connected to the coil side terminal T5a. The midpoint of the U-phase arm is connected to the U-phase coil 7u, the midpoint of the V-phase arm is connected to the V-phase coil 7v, and the midpoint of the W-phase arm is connected to the W-phase coil 7w.

インバータ5の直流側には、正極と負極との間の電圧(直流リンク電圧Vdc)を平滑する平滑コンデンサ(直流リンクコンデンサ6)が備えられている。また、インバータ5の直流側には、直流リンク電圧Vdcを検出する電圧センサ(直流リンク電圧センサ61)も備えられている。尚、直流リンクコンデンサ6は、回転電機70の駆動系回路(インバータ5、コイル7等)が車載充電装置10として用いられる際に、図2、図3、図11等を参照して後述する交流直流コンバータ1と直流直流コンバータ2との間に配置され、交流直流コンバータ1により変換された直流電力の電圧(直流リンク電圧Vdc)を平滑する平滑コンデンサとしても機能する。 The DC side of the inverter 5 is provided with a smoothing capacitor (DC link capacitor 6) that smoothes the voltage between the positive and negative poles (DC link voltage Vdc). The DC side of the inverter 5 is also provided with a voltage sensor (DC link voltage sensor 61) that detects the DC link voltage Vdc. When the drive circuit (inverter 5, coil 7, etc.) of the rotating electric machine 70 is used as the on-board charging device 10, the DC link capacitor 6 is disposed between the AC-DC converter 1 and the DC-DC converter 2 described later with reference to Figures 2, 3, 11, etc., and also functions as a smoothing capacitor that smoothes the voltage of the DC power converted by the AC-DC converter 1 (DC link voltage Vdc).

直流電源3は、例えば、リチウムイオン電池などの充電可能な二次電池(バッテリ)や、電気二重層キャパシタなどにより構成されている。本実施形態のように、回転電機70が車両の駆動力源の場合、直流電源3は、大電圧大容量の直流電源であり、定格の電源電圧は、例えば200~400[V]である。また、直流電源3には、直流電源3に対する入出力電流(バッテリ電流Ibat:図4等参照)を検出する電流センサ(バッテリ電流センサ31)や、直流電源3の端子電圧(バッテリ電圧Vbat:図4等参照)を検出する電圧センサ(バッテリ電圧センサ32)も備えられている。 The DC power supply 3 is composed of, for example, a rechargeable secondary battery (battery) such as a lithium ion battery, an electric double layer capacitor, or the like. When the rotating electric machine 70 is the driving force source of the vehicle as in this embodiment, the DC power supply 3 is a high-voltage, large-capacity DC power supply, and the rated power supply voltage is, for example, 200 to 400 V. The DC power supply 3 also includes a current sensor (battery current sensor 31) that detects the input/output current (battery current Ibat: see FIG. 4, etc.) to the DC power supply 3, and a voltage sensor (battery voltage sensor 32) that detects the terminal voltage of the DC power supply 3 (battery voltage Vbat: see FIG. 4, etc.).

図示は省略するが、例えば直流電源3がリチウムイオンバッテリなどの場合には、BMS(バッテリマネジメントシステム(Battery Management System))が備えられていることが多い。リチウムイオンバッテリなどの二次電池は、複数のセル(バッテリセル)により構成されている。BMSは、(1)セルの過充電、過放電の防止、(2)セルに過電流が流れることの防止、(3)セルの温度管理、(4)充電状態(SOC:State of Charge)の算出、(5)セル電圧の均一化、等を行うバッテリの管理制御システムである。上述したバッテリ電流センサ31やバッテリ電圧センサ32は、BMSの一部として構成されていてもよい。 Although not shown, for example, when the DC power source 3 is a lithium ion battery, a BMS (Battery Management System) is often provided. A secondary battery such as a lithium ion battery is composed of multiple cells (battery cells). The BMS is a battery management control system that (1) prevents overcharging and overdischarging of cells, (2) prevents overcurrent from flowing through cells, (3) manages the temperature of cells, (4) calculates the state of charge (SOC), and (5) equalizes the cell voltages. The battery current sensor 31 and battery voltage sensor 32 described above may be configured as part of the BMS.

図3等に示すように、インバータ5は、複数のスイッチング素子5Sを有して構成されている。スイッチング素子5Sには、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やパワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やSiC-MOSFET(Silicon Carbide - Metal Oxide Semiconductor FET)やSiC-SIT(SiC - Static Induction Transistor)、GaN-MOSFET(Gallium Nitride - MOSFET)などの高周波での動作が可能なパワー半導体素子を適用すると好適である。本実施形態では、スイッチング素子5SとしてFETが用いられる形態を例示している。尚、各スイッチング素子5Sは、負極から正極へ向かう方向(下段側から上段側へ向かう方向)を順方向として、並列にフリーホイールダイオードを備えている。 As shown in FIG. 3, the inverter 5 is configured with a plurality of switching elements 5S. For the switching elements 5S, it is preferable to use power semiconductor elements capable of operating at high frequencies, such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), power MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), SiC-MOSFETs (Silicon Carbide - Metal Oxide Semiconductor FETs), SiC-SITs (SiC - Static Induction Transistors), and GaN-MOSFETs (Gallium Nitride - MOSFETs). In this embodiment, an example is shown in which FETs are used as the switching elements 5S. Each switching element 5S is provided with a freewheel diode in parallel, with the forward direction being from the negative pole to the positive pole (from the lower stage to the upper stage).

図1に示すように、インバータ5は、制御装置8により制御される。制御装置8は、マイクロコンピュータ等の論理回路を中核部材として構築されている。例えば、制御装置8は、上位の制御装置の1つである車両制御装置90等の他の制御装置等から要求信号として提供される回転電機70の目標トルク(トルク指令)に基づいて、ベクトル制御法を用いた電流フィードバック制御を行って、インバータ5を介して回転電機70を駆動する。ベクトル制御法では、各相のコイル7に流れる電流(本実施形態ではU相電流Iu,V相電流Iv,W相電流Iw:図3等参照)を、ロータに配置された永久磁石が発生する磁界の方向であるd軸と、d軸に直交する方向(磁界の向きに対して電気角でπ/2進んだ方向)のq軸とのベクトル成分に座標変換してフィードバック制御を行う。座標変換先の座標系をdq軸直交座標系と称する。尚、マイクロコンピュータ等の論理回路素子の動作電圧は3.3~5ボルト程度である。本実施形態では、簡略化のため、図示を省略していつが、当該論理回路素子で生成された制御信号はドライブ回路を介してインバータ5に伝達される。或いは、制御装置8にドライブ回路が含まれると考えてもよい。 As shown in FIG. 1, the inverter 5 is controlled by the control device 8. The control device 8 is constructed with a logic circuit such as a microcomputer as its core component. For example, the control device 8 performs current feedback control using a vector control method based on the target torque (torque command) of the rotating electric machine 70 provided as a request signal from another control device such as a vehicle control device 90, which is one of the higher-level control devices, to drive the rotating electric machine 70 via the inverter 5. In the vector control method, the current flowing through the coil 7 of each phase (U-phase current Iu, V-phase current Iv, and W-phase current Iw in this embodiment: see FIG. 3, etc.) is coordinate-converted into vector components of the d-axis, which is the direction of the magnetic field generated by the permanent magnet arranged in the rotor, and the q-axis, which is a direction perpendicular to the d-axis (a direction that advances the magnetic field direction by an electrical angle of π/2), to perform feedback control. The coordinate system to which the coordinates are converted is called the dq-axis orthogonal coordinate system. The operating voltage of logic circuit elements such as a microcomputer is about 3.3 to 5 volts. In this embodiment, for simplicity, the control signal generated by the logic circuit element is transmitted to the inverter 5 via a drive circuit, which is not shown in the figure. Alternatively, the control device 8 may be considered to include the drive circuit.

回転電機70の各相のコイル7を流れる実電流は電流センサ(モータ電流センサ81)により検出され、制御装置8はその検出結果を取得する。また、回転電機70のロータの各時点での磁極位置(電気角)やロータの回転速度(角速度)は、例えばレゾルバなどの回転センサ82により検出され、制御装置8はその検出結果を取得する。制御装置8は、モータ電流センサ81及び回転センサ82の検出結果を用いて、電流フィードバック制御を実行する。制御装置8は、電流フィードバック制御のために種々の機能部を有して構成されており、各機能部は、マイクロコンピュータ等のハードウエアとソフトウエア(プログラム)との協働により実現される。 The actual current flowing through the coils 7 of each phase of the rotating electric machine 70 is detected by a current sensor (motor current sensor 81), and the control device 8 acquires the detection results. In addition, the magnetic pole position (electrical angle) of the rotor of the rotating electric machine 70 at each point in time and the rotation speed (angular velocity) of the rotor are detected by a rotation sensor 82 such as a resolver, and the control device 8 acquires the detection results. The control device 8 executes current feedback control using the detection results of the motor current sensor 81 and the rotation sensor 82. The control device 8 is configured with various functional units for current feedback control, and each functional unit is realized by the cooperation of hardware such as a microcomputer and software (programs).

上述したように、インバータ5を介して直流電源3に接続される回転電機70は、直流電源3から供給される電力により電動機として機能すると共に、発電機として機能して直流電源3を充電することもできる。例えば、ハイブリッド自動車では内燃機関などの動力により、回転電機70に機械エネルギーを供給して回転電機70に発電させることも可能であるが、発電の機会が少なく直流電源3を充分に充電できない場合がある。また、駆動力源として回転電機70しか搭載されていない電気自動車では、慣性走行等における車輪からの機械エネルギーによる発電に留まり、直流電源3を充分に充電できないことが多い。また、ハイブリッド自動車においても、回転電機70に発電させるよりも外部から電力を供給する方が、エネルギー効率がよい場合がある。このため、直流電源3が車両に搭載された状態で、直流電源3を外部電源によって充電可能に構成されていることが好ましい。 As described above, the rotating electric machine 70 connected to the DC power source 3 via the inverter 5 functions as an electric motor using the power supplied from the DC power source 3, and can also function as a generator to charge the DC power source 3. For example, in a hybrid vehicle, mechanical energy can be supplied to the rotating electric machine 70 using the power of an internal combustion engine or the like to cause the rotating electric machine 70 to generate electricity, but there are cases where the DC power source 3 cannot be sufficiently charged because there are few opportunities for power generation. In addition, in an electric vehicle equipped with only the rotating electric machine 70 as a driving force source, power generation is limited to mechanical energy from the wheels during inertial running, and the DC power source 3 cannot be sufficiently charged in many cases. In addition, even in a hybrid vehicle, it may be more energy efficient to supply power from an external source rather than having the rotating electric machine 70 generate power. For this reason, it is preferable that the DC power source 3 be configured to be charged by an external power source when the DC power source 3 is installed in the vehicle.

本実施形態の車載充電装置10は、車両用駆動装置9の直流電源3を、単相の外部交流電源4から供給される電力によって充電する。図2に示すように、車載充電装置10は、外部交流電源4に接続されて、外部交流電源4からの交流電力を直流電力に変換する交流直流コンバータ1(AC/DCコンバータ)と、交流直流コンバータ1により変換された直流の電圧を変換する直流直流コンバータ2(DC/DCコンバータ)とを備えている。交流直流コンバータ1は、一対の交流側端子T1aと一対の直流側端子T1dとを備えており、交流直流コンバータ1の交流側端子T1aは、外部交流電源4に接続される。直流直流コンバータ2は、一対の第1端子T21と、一対の第2端子T22とを備えており、一対の第1端子T21と交流直流コンバータ1の一対の直流側端子T1dとが接続されると共に、一対の第2端子T22と直流電源3の正負両極端子とが接続される。 The vehicle-mounted charging device 10 of this embodiment charges the DC power source 3 of the vehicle drive device 9 with power supplied from a single-phase external AC power source 4. As shown in FIG. 2, the vehicle-mounted charging device 10 includes an AC/DC converter 1 (AC/DC converter) that is connected to the external AC power source 4 and converts the AC power from the external AC power source 4 into DC power, and a DC/DC converter 2 (DC/DC converter) that converts the voltage of the DC converted by the AC/DC converter 1. The AC/DC converter 1 includes a pair of AC side terminals T1a and a pair of DC side terminals T1d, and the AC side terminal T1a of the AC/DC converter 1 is connected to the external AC power source 4. The DC/DC converter 2 includes a pair of first terminals T21 and a pair of second terminals T22, and the pair of first terminals T21 and the pair of DC side terminals T1d of the AC/DC converter 1 are connected, and the pair of second terminals T22 and the positive and negative terminals of the DC power source 3 are connected.

交流直流コンバータ1及び直流直流コンバータ2は、スイッチング素子(図3、図11において符号1S、5S、15Sで示すスイッチング素子)を備えて構成されており、これらのスイッチング素子は、インバータ5を介して回転電機70を駆動制御する制御装置8によって制御される。従って、制御装置8は、交流直流コンバータ1及び直流直流コンバータ2も制御対象とする。また、後述するように、車載充電装置10は、コンタクタ(図3、図11において、符号11,12,13で示すコンタクタ)を備えて構成されている。これらのコンタクタも制御装置8、或いは制御装置8及び車両制御装置90によって制御される。図1を参照して上述したように、制御装置8は回転電機の駆動制御システムに含まれており、制御装置8も回転電機70の駆動制御と直流電源3の充電制御とに共用される。 The AC-DC converter 1 and the DC-DC converter 2 are configured with switching elements (switching elements indicated by symbols 1S, 5S, and 15S in FIG. 3 and FIG. 11), and these switching elements are controlled by the control device 8 that drives and controls the rotating electric machine 70 via the inverter 5. Therefore, the control device 8 also controls the AC-DC converter 1 and the DC-DC converter 2. As described later, the vehicle-mounted charging device 10 is also configured with contactors (contactors indicated by symbols 11, 12, and 13 in FIG. 3 and FIG. 11). These contactors are also controlled by the control device 8, or the control device 8 and the vehicle control device 90. As described above with reference to FIG. 1, the control device 8 is included in the drive control system of the rotating electric machine, and the control device 8 is also shared for drive control of the rotating electric machine 70 and charge control of the DC power source 3.

直流電源3を充電する際には、外部交流電源4から直流電源3へ電力が供給される。従って、回路構成上、相対的に外部交流電源4の側(上流側)に配置される交流直流コンバータ1をフロントエンドコンバータ或いはフロントコンバータ、相対的に直流電源3の側(下流側)に配置される直流直流コンバータ2をバックエンドコンバータ或いはバックコンバータと称する場合がある。本実施形態では、交流直流コンバータ1(フロントコンバータ)及び直流直流コンバータ2(バックコンバータ)の何れか一方が、インバータ5と複数相のコイル7とを用いて構成されている。また、図2に示すように、交流直流コンバータ1には、交流電流及び交流電圧を検出するために、グリッド電流センサ41及びグリッド電圧センサ42が備えられている。 When charging the DC power source 3, power is supplied from the external AC power source 4 to the DC power source 3. Therefore, in terms of circuit configuration, the AC-DC converter 1 arranged relatively closer to the external AC power source 4 (upstream side) may be called a front-end converter or a front converter, and the DC-DC converter 2 arranged relatively closer to the DC power source 3 (downstream side) may be called a back-end converter or a buck converter. In this embodiment, either the AC-DC converter 1 (front converter) or the DC-DC converter 2 (buck converter) is configured using an inverter 5 and a multi-phase coil 7. In addition, as shown in FIG. 2, the AC-DC converter 1 is provided with a grid current sensor 41 and a grid voltage sensor 42 to detect the AC current and the AC voltage.

図3の回路ブロック図は、回転電機70の駆動系回路(コイル7,インバータ5等)を含む、回転電機70の駆動制御システムを利用した車載充電装置10の構成例(第1の例)を示しており、図11の回路ブロック図は、回転電機70の駆動系回路を含む、回転電機70の駆動制御システムを利用した車載充電装置10の他の構成例(第2の例)を示している。図3に示す第1の例では、外部交流電源4に接続されるフロントコンバータである交流直流コンバータ1が、車両用駆動装置9とは別に形成された回路によって構成され、直流電源3に接続されるバックコンバータである直流直流コンバータ2が、回転電機70の駆動系回路(コイル7及びインバータ5)を共用して構成されている。図11に示す第2の例では、外部交流電源4に接続されるフロントコンバータである交流直流コンバータ1が、回転電機70の駆動系回路(コイル7及びインバータ5)を共用して構成され、直流電源3に接続されるバックコンバータである直流直流コンバータ2が、車両用駆動装置9とは別に形成された回路によって構成されている。 3 shows a configuration example (first example) of the on-board charging device 10 using the drive control system of the rotating electric machine 70, including the drive circuit of the rotating electric machine 70 (coil 7, inverter 5, etc.), and the circuit block diagram of FIG. 11 shows another configuration example (second example) of the on-board charging device 10 using the drive control system of the rotating electric machine 70, including the drive circuit of the rotating electric machine 70. In the first example shown in FIG. 3, the AC-DC converter 1, which is a front converter connected to the external AC power source 4, is configured by a circuit formed separately from the vehicle drive device 9, and the DC-DC converter 2, which is a back converter connected to the DC power source 3, is configured by sharing the drive circuit of the rotating electric machine 70 (coil 7 and inverter 5). In the second example shown in FIG. 11, the AC-DC converter 1, which is a front converter connected to an external AC power source 4, is configured to share the drive circuit (coil 7 and inverter 5) of the rotating electric machine 70, and the DC-DC converter 2, which is a back converter connected to the DC power source 3, is configured by a circuit formed separately from the vehicle drive device 9.

図3、図11に示すように、交流直流コンバータ1は、スイッチング素子1Sを備えて構成されている。交流直流変換においては、誘導性インピーダンスや容量性インピーダンスにより、電圧位相と電流位相との間に位相差が生じ、当該位相差によって力率が低下する。スイッチング素子1Sが制御されることによって、例えば電流位相が調整され、位相差が補償されて力率を改善することができる。交流直流コンバータ1は、外部交流電源4ら供給される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ように構成されている。 As shown in Figures 3 and 11, the AC-DC converter 1 is configured to include a switching element 1S. In AC-DC conversion, a phase difference occurs between the voltage phase and the current phase due to inductive impedance and capacitive impedance, and this phase difference reduces the power factor. By controlling the switching element 1S, for example, the current phase can be adjusted, the phase difference can be compensated for, and the power factor can be improved. The AC-DC converter 1 is also configured to function as a power factor correction (PFC) circuit that improves the power factor of the DC power converted from the AC power supplied from the external AC power source 4.

第1の例及び第2の例に共通して、交流直流コンバータ1は、インダクタL1と、スイッチング素子1Sを用いたフルブリッジ回路とを備えて構成されている。図11に示すように、第2の例は、見掛け上、4つのアームを有して構成されているが、第2の例も等価的にフルブリッジ回路が形成されたものであり、この詳細については後述する。力率改善機能も備えた交流直流コンバータ1が、インダクタL1を備えていることにより、力率改善機能の実現に必要なインダクタンスを、インダクタL1によって適切に設定することができる。また、フルブリッジ回路を備えることにより、交流直流コンバータ1を交流直流変換及び直流交流変換が可能な双方向コンバータとして機能させることができる。例えば、車載充電装置10を、外部交流電源4から供給される電力により直流電源3を充電するための機能と、直流電源3に蓄えられた電力により車両外の装置に交流電力を供給する機能との2つの機能を有する装置として利用することができる。 In both the first and second examples, the AC-DC converter 1 is configured to include an inductor L1 and a full bridge circuit using a switching element 1S. As shown in FIG. 11, the second example is configured to have four arms, but the second example also has an equivalent full bridge circuit, which will be described in detail later. The AC-DC converter 1, which also has a power factor correction function, is provided with an inductor L1, so that the inductance required to realize the power factor correction function can be appropriately set by the inductor L1. In addition, by providing a full bridge circuit, the AC-DC converter 1 can function as a bidirectional converter capable of AC-DC conversion and DC-AC conversion. For example, the on-board charging device 10 can be used as a device having two functions: a function for charging the DC power source 3 with power supplied from the external AC power source 4, and a function for supplying AC power to a device outside the vehicle with power stored in the DC power source 3.

近年、災害時等において電動車両やハイブリッド車両の直流電源3を非常用電源として用いることが提唱されている。交流直流コンバータ1がフルブリッジ回路を備えることにより、直流電源3をそのような非常用電源として利用することができる。当然ながら、このような直流電源3の利用を考慮しないような場合には、交流直流コンバータ1が、交流直流変換のみを行う一方向コンバータとして構成されていてもよい。この場合には、交流直流コンバータ1は、例えばハーフブリッジ回路を有して構成されていてもよい。 In recent years, it has been proposed to use the DC power source 3 of an electric vehicle or hybrid vehicle as an emergency power source in the event of a disaster. By equipping the AC-DC converter 1 with a full bridge circuit, the DC power source 3 can be used as such an emergency power source. Of course, in cases where the use of such a DC power source 3 is not considered, the AC-DC converter 1 may be configured as a unidirectional converter that performs only AC-DC conversion. In this case, the AC-DC converter 1 may be configured to have, for example, a half bridge circuit.

図2を参照して上述したように、直流直流コンバータ2は、第1端子T21が交流直流コンバータ1の直流側端子T1dに接続され、第2端子T22が、直流電源3に接続されている。図3に例示する第1の例では、インバータ5の直流側端子である直流リンク端子T5dが、第1端子T21であり、中性点7Nが、第2端子T22である。 As described above with reference to FIG. 2, the first terminal T21 of the DC-DC converter 2 is connected to the DC side terminal T1d of the AC-DC converter 1, and the second terminal T22 is connected to the DC power source 3. In the first example illustrated in FIG. 3, the DC link terminal T5d, which is the DC side terminal of the inverter 5, is the first terminal T21, and the neutral point 7N is the second terminal T22.

図3に示すように、車載充電装置10は、交流直流コンバータ1の交流側端子T1aと、外部交流電源4とを選択的に接続する(交流側端子T1aと外部交流電源4とを断接する)フロントエンドコンタクタ11を備えている。フロントエンドコンタクタ11は、外部交流電源4に接続された接点(フロントエンドコンタクタ第1接点11a)と、交流直流コンバータ1に接続された接点(フロントエンドコンタクタ第2接点11b)とを備えている。フロントエンドコンタクタ第1接点11aとフロントエンドコンタクタ第2接点11bとが接続された場合に、フロントエンドコンタクタ11が導通状態となり、外部交流電源4と車載充電装置10(交流直流コンバータ1)とが電気的に接続される。 As shown in FIG. 3, the vehicle-mounted charging device 10 includes a front-end contactor 11 that selectively connects the AC side terminal T1a of the AC-DC converter 1 to the external AC power source 4 (connects and disconnects the AC side terminal T1a to the external AC power source 4). The front-end contactor 11 includes a contact (front-end contactor first contact 11a) that is connected to the external AC power source 4 and a contact (front-end contactor second contact 11b) that is connected to the AC-DC converter 1. When the front-end contactor first contact 11a and the front-end contactor second contact 11b are connected, the front-end contactor 11 is in a conductive state, and the external AC power source 4 and the vehicle-mounted charging device 10 (AC-DC converter 1) are electrically connected.

図3に示すように、第1の例の車載充電装置10は、直流電源3に対してインバータ5の直流側端子である直流リンク端子T5dと中性点7Nとを選択的に接続するバッテリコンタクタ12を備えている。本実施形態では、バッテリコンタクタ12は、直流電源3の正極に対して直流リンク正極端子T5Pと中性点7Nとを選択的に接続する。バッテリコンタクタ12は、直流電源3の正極に接続されたバッテリコンタクタ第1接点12aと、中性点7Nに接続されたバッテリコンタクタ第2接点12bと、直流リンク正極端子T5Pに接続されたバッテリコンタクタ第3接点12cとを備えている。バッテリコンタクタ第1接点12aとバッテリコンタクタ第2接点12bとが接続されると、中性点7Nがバッテリコンタクタ12を介して直流電源3に接続される。バッテリコンタクタ第3接点12cは開放されている。インバータ5が車載充電装置10として機能する場合には、バッテリコンタクタ12がこのように接続される。 As shown in FIG. 3, the vehicle-mounted charging device 10 of the first example includes a battery contactor 12 that selectively connects the DC link terminal T5d, which is the DC side terminal of the inverter 5, and the neutral point 7N to the DC power source 3. In this embodiment, the battery contactor 12 selectively connects the DC link positive terminal T5P and the neutral point 7N to the positive pole of the DC power source 3. The battery contactor 12 includes a battery contactor first contact 12a connected to the positive pole of the DC power source 3, a battery contactor second contact 12b connected to the neutral point 7N, and a battery contactor third contact 12c connected to the DC link positive terminal T5P. When the battery contactor first contact 12a and the battery contactor second contact 12b are connected, the neutral point 7N is connected to the DC power source 3 via the battery contactor 12. The battery contactor third contact 12c is open. When the inverter 5 functions as an on-board charging device 10, the battery contactor 12 is connected in this manner.

インバータ5が回転電機70の駆動制御に用いられる場合には、バッテリコンタクタ第1接点12aとバッテリコンタクタ第3接点12cとが接続され、インバータ5の直流リンク正極端子T5Pが、バッテリコンタクタ12を介して直流電源3に接続される。バッテリコンタクタ第2接点12bは開放されている。また、車両が駐車される場合や、異常等によって回転電機70への電力供給を遮断する必要があるような場合には、バッテリコンタクタ第1接点12aに対して、バッテリコンタクタ第2接点12b及びバッテリコンタクタ第3接点12cの何れも接続されない状態とすることができる。 When the inverter 5 is used to drive and control the rotating electric machine 70, the battery contactor first contact 12a and the battery contactor third contact 12c are connected, and the DC link positive terminal T5P of the inverter 5 is connected to the DC power source 3 via the battery contactor 12. The battery contactor second contact 12b is open. When the vehicle is parked or when it is necessary to cut off the power supply to the rotating electric machine 70 due to an abnormality or the like, neither the battery contactor second contact 12b nor the battery contactor third contact 12c can be connected to the battery contactor first contact 12a.

このように、バッテリコンタクタ12により、直流電源3に対する接続形態を変更するだけで、回転電機70を駆動制御する機能と、直流電源3を外部交流電源4により充電する機能とを切り替え可能な回路を実現することができる。即ち、簡単な構成で、車載充電装置10を構成することができる。 In this way, by simply changing the connection form of the battery contactor 12 to the DC power source 3, a circuit can be realized that can switch between the function of driving and controlling the rotating electric machine 70 and the function of charging the DC power source 3 with the external AC power source 4. In other words, the on-board charging device 10 can be configured with a simple configuration.

尚、フロントエンドコンタクタ11、バッテリコンタクタ12、図11を参照して後述するバックエンドコンタクタ13は、制御装置8によって開閉制御される。或いは、これらのコンタクタは、車両制御装置90によって制御されてもよい。例えば、これらのコンタクタは、メカニカルリレーを用いて構成することができる。メカニカルリレーは、接点が開放された場合の絶縁性が高く、接点が閉成された場合に流すことができる電流も大きく確保し易い。しかし、これらのコンタクタは、メカニカルリレーに限らず、ソリッドステートリレーなど、半導体を用いて構成されていてもよい。 The front-end contactor 11, the battery contactor 12, and the back-end contactor 13, which will be described later with reference to FIG. 11, are controlled to open and close by the control device 8. Alternatively, these contactors may be controlled by the vehicle control device 90. For example, these contactors can be configured using mechanical relays. Mechanical relays have high insulation when the contacts are open, and it is easy to ensure a large current that can flow when the contacts are closed. However, these contactors are not limited to mechanical relays, and may be configured using semiconductors such as solid-state relays.

このような車載充電装置10を用いて、直流電源3の過充電(過電圧)を抑制しつつ、外部交流電源4から供給される電力により直流電源3を充電する際の制御方法として、図5に例示するような定電流定電圧充電制御が知られている。定電流定電圧充電制御では、直流電源3の充電状態(SOC)が低い場合には、直流電源3に一定の電流を供給する定電流充電制御によって直流電源が充電される。直流電源3には一定の値の電流(バッテリ電流Ibat)が流れる。図5では、第1フェーズPH1が、定電流充電制御が実行される期間に相当する。定電流充電制御による充電が進むに従って、SOCの値は上昇していき、直流電源3の端子電圧(バッテリ電圧Vbat)も充電開始時の電圧(充電開始電圧Vbat_e)から上昇する。 As a control method for charging the DC power source 3 with power supplied from the external AC power source 4 while suppressing overcharging (overvoltage) of the DC power source 3 using such an in-vehicle charging device 10, a constant current constant voltage charging control as illustrated in FIG. 5 is known. In the constant current constant voltage charging control, when the state of charge (SOC) of the DC power source 3 is low, the DC power source is charged by constant current charging control that supplies a constant current to the DC power source 3. A constant current (battery current Ibat) flows through the DC power source 3. In FIG. 5, the first phase PH1 corresponds to the period during which the constant current charging control is executed. As charging by the constant current charging control progresses, the value of the SOC increases, and the terminal voltage (battery voltage Vbat) of the DC power source 3 also increases from the voltage at the start of charging (charging start voltage Vbat_e).

SOCが予め規定された値(例えば80~90%など)まで上昇すると、或いはバッテリ電圧Vbatが予め設定された値(切替電圧Vbat_s)まで上昇すると、定電流充電制御から定電圧充電制御に制御方法が切り替えられる。図5では、第2フェーズPH2が、定電圧充電制御が実行される期間に相当する。定電圧充電制御では、直流電源3に印加される電圧を一定に保ちながら充電を継続する。直流電源3への印加電圧が一定に保持されるため、バッテリ電流Ibatは次第に低下する。バッテリ電圧Vbatは上昇速度を鈍化させながら上昇する。バッテリ電圧Vbatが予め規定された値(例えば、満充電電圧Vbat_f)まで上昇した場合、或いはバッテリ電流Ibatが予め規定された値まで減少した場合、或いはSOCが予め規定された値(例えば98~100%など)まで上昇した場合に、定電圧充電制御が終了し、充電制御も終了する。 When the SOC rises to a predetermined value (e.g., 80 to 90%), or when the battery voltage Vbat rises to a predetermined value (switching voltage Vbat_s), the control method is switched from constant current charging control to constant voltage charging control. In FIG. 5, the second phase PH2 corresponds to the period during which the constant voltage charging control is executed. In the constant voltage charging control, charging is continued while keeping the voltage applied to the DC power source 3 constant. Since the voltage applied to the DC power source 3 is kept constant, the battery current Ibat gradually decreases. The battery voltage Vbat increases at a slower rate. When the battery voltage Vbat rises to a predetermined value (e.g., full charge voltage Vbat_f), or when the battery current Ibat decreases to a predetermined value, or when the SOC rises to a predetermined value (e.g., 98 to 100%), the constant voltage charging control ends, and the charging control also ends.

ところで、上述したように、本実施形態では、回転電機70の駆動系回路(コイル7,インバータ5等)を利用した車載充電装置10を用いて直流電源3が充電される。図2、図3、図11等に示すように、直流リンクコンデンサ6は、交流直流コンバータ1と直流直流コンバータ2との間に配置されている。そして、一般的には、図5に示すように定電流定電圧充電制御の全期間に亘って直流リンクコンデンサ6の端子電圧に相当する直流リンク電圧Vdcは一定の電圧値に保持される。上述したように、バッテリ電圧Vbatは、SOCが低い充電制御の開始時には低い値(Vbat_e)であり、定電流充電制御の進行に伴って上昇する。従って、充電制御の開始時には、直流リンク電圧Vdcとバッテリ電圧Vbatとの電圧差が大きく、車載充電装置10(この場合、特に直流直流コンバータ2)におけるスイッチング損失などの損失が大きくなる傾向がある。また、定電流充電制御では、制御の経過に伴ってバッテリ電圧Vbatが上昇する。バッテリ電流Ibatは一定であるから、図5に示すように、バッテリ電力Pbatは、充電制御(定電流充電制御)の初期には小さく、定電流充電制御の経過に伴って大きくなる。つまり、直流電源3は、許容される最大充電電力で充電されないため、充電時間が長くなる傾向がある。 As described above, in this embodiment, the DC power source 3 is charged using the on-board charging device 10 that utilizes the drive circuit (coil 7, inverter 5, etc.) of the rotating electric machine 70. As shown in Figures 2, 3, 11, etc., the DC link capacitor 6 is disposed between the AC-DC converter 1 and the DC-DC converter 2. In general, the DC link voltage Vdc corresponding to the terminal voltage of the DC link capacitor 6 is maintained at a constant voltage value throughout the entire period of the constant current constant voltage charging control as shown in Figure 5. As described above, the battery voltage Vbat is a low value (Vbat_e) at the start of charging control when the SOC is low, and increases as the constant current charging control progresses. Therefore, at the start of charging control, the voltage difference between the DC link voltage Vdc and the battery voltage Vbat is large, and losses such as switching losses in the on-board charging device 10 (particularly the DC-DC converter 2 in this case) tend to be large. In addition, in the constant current charging control, the battery voltage Vbat increases as the control progresses. Because the battery current Ibat is constant, as shown in FIG. 5, the battery power Pbat is small at the beginning of the charging control (constant current charging control) and increases as the constant current charging control progresses. In other words, the DC power source 3 is not charged with the maximum allowable charging power, so the charging time tends to be long.

この点に鑑み、本実施形態では、従来の定電流定電圧充電制御に対して高い効率で充電することができる車載充電装置10を実現している。図4に示すように、制御装置8は、直流電源3の端子電圧(バッテリ電圧Vbat)が、切替電圧Vbat_sよりも低い状態(例えば、充電開始電圧Vbat_e)から切替電圧Vbat_sに達するまでは、充電制御として、直流電源3に流れる電流(バッテリ電流Ibat)と直流電源3の端子電圧(バッテリ電圧Vbat)に基づく充電電力(バッテリ電力Pbat)が一定となるように定電力充電制御を実行する(第1フェーズPH1)。また、制御装置8は、定電力充電制御においては、直流電源3の端子電圧(バッテリ電圧Vbat)が上昇することに応じて、直流リンクコンデンサの6端子電圧(直流リンク電圧Vdc)が上昇するように可変直流電圧制御を実行する。 In view of this, the present embodiment realizes an in-vehicle charging device 10 that can charge with higher efficiency than conventional constant current constant voltage charging control. As shown in FIG. 4, the control device 8 executes constant power charging control as charging control so that the current (battery current Ibat) flowing through the DC power source 3 and the charging power (battery power Pbat) based on the terminal voltage (battery voltage Vbat) of the DC power source 3 are constant until the terminal voltage (battery voltage Vbat) of the DC power source 3 reaches the switching voltage Vbat_s from a state (for example, charging start voltage Vbat_e) lower than the switching voltage Vbat_s (first phase PH1). In addition, in the constant power charging control, the control device 8 executes variable DC voltage control so that the 6-terminal voltage (DC link voltage Vdc) of the DC link capacitor increases in response to an increase in the terminal voltage (battery voltage Vbat) of the DC power source 3.

また、制御装置8は、充電制御として、バッテリ電圧Vbatが切替電圧Vbat_sに達した後、満充電電圧Vbat_fに達するまで、或いはバッテリ電流Ibatが予め規定された値まで減少するまで、或いは、SOCが予め規定された値(例えば98~100%など)まで上昇するまで、バッテリ電圧Vbatが上昇することに応じてバッテリ電力Pbatが小さくなるように、バッテリ電力Pbatを次第に減少させる可変電力充電制御を実行する。好ましくは、制御装置8は、可変電力充電制御において、バッテリ電力Pbatがゼロになるまで減少させる、或いはバッテリ電流Ibatがゼロになるまで減少させる。 Furthermore, as charging control, the control device 8 executes variable power charging control in which the battery power Pbat is gradually reduced so that the battery power Pbat decreases as the battery voltage Vbat increases after the battery voltage Vbat reaches the switching voltage Vbat_s until the full charge voltage Vbat_f is reached, or until the battery current Ibat decreases to a predetermined value, or until the SOC increases to a predetermined value (e.g., 98 to 100%). Preferably, in the variable power charging control, the control device 8 reduces the battery power Pbat until it becomes zero, or reduces the battery current Ibat until it becomes zero.

尚、直流電源3が満充電状態の場合の直流電源3の端子電圧(バッテリ電圧Vbat)である満充電電圧Vbat_fは「第1電圧」に相当し、切替電圧Vbat_sは「第1電圧」よりも低く予め設定された電圧である「第2電圧」に相当する。また、「第2電圧」よりも低く、充電が開始される際のバッテリ電圧Vbatである充電開始電圧Vbat_eは、「第3電圧」と称することもできる。満充電電圧Vbat_f及び切替電圧Vbat_sは、直流電源3の仕様に応じて予め規定された電圧値である。一方、充電開始電圧Vbat_eは、充電を行う際の任意の値であり、変動する値であって予め規定された電圧値ではない。 Note that the full charge voltage Vbat_f, which is the terminal voltage (battery voltage Vbat) of the DC power supply 3 when the DC power supply 3 is in a fully charged state, corresponds to the "first voltage", and the switching voltage Vbat_s corresponds to the "second voltage" which is a preset voltage lower than the "first voltage". In addition, the charging start voltage Vbat_e, which is lower than the "second voltage" and is the battery voltage Vbat when charging starts, can also be called the "third voltage". The full charge voltage Vbat_f and the switching voltage Vbat_s are voltage values that are predefined according to the specifications of the DC power supply 3. On the other hand, the charging start voltage Vbat_e is an arbitrary value when charging is performed, a variable value, and is not a predefined voltage value.

充電電力(バッテリ電力Pbat)を一定にしたまま充電制御を継続すると、直流電源3の端子電圧(バッテリ電圧Vbat)が第1電圧(満充電電圧Vbat_f)に近づいても同じ電力で充電され、直流電源3に電流が供給され続けて過充電を招く恐れがある。直流電源3の端子電圧が第2電圧(切替電圧Vbat_s)に達した後、可変電力充電制御が実行されることにより、そのような過充電を抑制し易い。 If charging control is continued while keeping the charging power (battery power Pbat) constant, charging will continue with the same power even when the terminal voltage (battery voltage Vbat) of the DC power supply 3 approaches the first voltage (fully charged voltage Vbat_f), and current will continue to be supplied to the DC power supply 3, which may lead to overcharging. By executing variable power charging control after the terminal voltage of the DC power supply 3 reaches the second voltage (switching voltage Vbat_s), it is easy to suppress such overcharging.

尚、制御装置8は、充電制御として、バッテリ電圧Vbatが切替電圧Vbat_sに達した後、満充電電圧Vbat_fに達するまで、或いはバッテリ電流Ibatが予め規定された値まで減少するまで、或いは、SOCが予め規定された値(例えば98~100%など)まで上昇するまで、可変電力充電制御ではなく、図5を参照して上述したような定電圧充電制御を実行してもよい。 In addition, the control device 8 may execute the constant voltage charging control as described above with reference to FIG. 5 as the charging control, instead of the variable power charging control, until the battery voltage Vbat reaches the switching voltage Vbat_s and then reaches the full charge voltage Vbat_f, or until the battery current Ibat decreases to a predetermined value, or until the SOC increases to a predetermined value (e.g., 98 to 100%).

図4に示すように、本実施形態の充電制御では、直流電源3の充電状態(SOC)が低い場合には、バッテリ電力Pbatが一定となるように、定電力充電制御が実行される。図4において、第1フェーズPH1が、定電電力充電制御が実行される期間に相当する。バッテリ電力Pbatは、バッテリ電流Ibatとバッテリ電圧Vbatとの積である。充電制御の開始直後は、バッテリ電圧Vbatが低い電圧であるから、定電流充電制御におけるバッテリ電流Ibatに比べて大きい電流値のバッテリ電流Ibatを流して直流電源3を充電することができる。上述したように、充電の進行に伴ってバッテリ電圧Vbatは上昇するから、バッテリ電力Pbatを一定とすると、バッテリ電流Ibatは充電制御に伴って減少していく。また、上述したように、定電力充電制御が実行される際には、並行してバッテリ電圧Vbatが上昇することに応じて、直流リンク電圧Vdcが上昇するように可変直流電圧制御も実行されている。直流リンク電圧Vdcは、バッテリ電圧Vbatと平行するように、バッテリ電圧Vbatよりも概ね一定の差電圧分高い電圧となるように制御される。 As shown in FIG. 4, in the charging control of this embodiment, when the state of charge (SOC) of the DC power source 3 is low, constant power charging control is executed so that the battery power Pbat is constant. In FIG. 4, the first phase PH1 corresponds to the period during which the constant power charging control is executed. The battery power Pbat is the product of the battery current Ibat and the battery voltage Vbat. Immediately after the start of the charging control, the battery voltage Vbat is low, so that the DC power source 3 can be charged by passing a battery current Ibat having a larger current value than the battery current Ibat in the constant current charging control. As described above, the battery voltage Vbat increases as the charging progresses, so if the battery power Pbat is constant, the battery current Ibat decreases with the charging control. Also, as described above, when the constant power charging control is executed, variable DC voltage control is also executed so that the DC link voltage Vdc increases in parallel with the increase in the battery voltage Vbat. The DC link voltage Vdc is controlled to be parallel to the battery voltage Vbat and to be a voltage that is approximately a constant differential voltage higher than the battery voltage Vbat.

SOCが予め規定された値(例えば80~90%など)まで上昇すると、或いはバッテリ電圧Vbatが予め設定された値(切替電圧Vbat_s)まで上昇すると、定電力充電制御から可変電力充電制御に制御方法が切り替えられる。図4では、第2フェーズPH2が、可変電力充電制御が実行される期間に相当する。可変電力充電制御では、可変直流電圧制御は実行されず、直流リンク電圧Vdcは、ほぼ一定の電圧に維持される。従って、可変電力充電制御では、概ね直流電源3に印加される電圧が一定に保たれながら充電が継続される。バッテリ電圧Vbatは上昇速度を鈍化させながら上昇する。バッテリ電流Ibatは、バッテリ電圧Vbatよりも高い変化率で減少し、バッテリ電力Pbatも減少する。バッテリ電圧Vbatが予め規定された値(例えば、満充電電圧Vbat_f)まで上昇した場合、或いはバッテリ電流Ibatが予め規定された値(ゼロ或いはゼロの近傍)まで減少した場合、或いはバッテリ電力Pbatが予め規定された値(ゼロ或いはゼロの近傍)まで減少した場合、或いはSOCが予め規定された値(例えば98~100%など)まで上昇した場合に、可変電力充電制御が終了し、充電制御も終了する。 When the SOC rises to a predetermined value (e.g., 80-90%), or when the battery voltage Vbat rises to a predetermined value (switching voltage Vbat_s), the control method is switched from constant power charging control to variable power charging control. In FIG. 4, the second phase PH2 corresponds to the period during which variable power charging control is executed. In variable power charging control, variable DC voltage control is not executed, and the DC link voltage Vdc is maintained at an almost constant voltage. Therefore, in variable power charging control, charging continues while the voltage applied to the DC power source 3 is kept roughly constant. The battery voltage Vbat rises at a slower rate of increase. The battery current Ibat decreases at a higher rate of change than the battery voltage Vbat, and the battery power Pbat also decreases. When the battery voltage Vbat rises to a predetermined value (e.g., the full charge voltage Vbat_f), or when the battery current Ibat falls to a predetermined value (zero or close to zero), or when the battery power Pbat falls to a predetermined value (zero or close to zero), or when the SOC rises to a predetermined value (e.g., 98-100%), the variable power charging control ends, and the charging control also ends.

以下、定電力充電制御、可変電力充電制御、可変直流電圧制御を実現するための制御装置8における制御形態について説明する。図6は、交流直流コンバータ1(フロントコンバータ)を制御するフロントエンド制御部810の模式的制御ブロック図を示し、図7は、直流直流コンバータ2(バックコンバータ)を制御するバックエンド制御部820の模式的制御ブロック図を示している。 The following describes the control modes in the control device 8 for realizing constant power charging control, variable power charging control, and variable DC voltage control. Figure 6 shows a schematic control block diagram of the front-end control unit 810 that controls the AC-DC converter 1 (front converter), and Figure 7 shows a schematic control block diagram of the back-end control unit 820 that controls the DC-DC converter 2 (buck converter).

図6において、“グリッド電圧Vgrid”は、“Vsinωt”で示される、外部交流電源4から入力される交流電圧である。ここで“ω”は角速度、“t”は時間である。尚、ここでは制御装置8が、dp軸ベクトル座標系におけるベクトル制御ではなく、正弦波制御を行う場合を例示している。ベクトル制御の場合には、グリッド電圧Vgridは、“Vcosωt”で示される。また、“グリッド電流Igrid”は、外部交流電源4から入力される交流電流である。“Vdc”は直流リンク電圧Vdcの指令値である。上述した可変直流電圧制御では、直流リンク電圧Vdcの値が可変制御される。直流リンク電圧Vdcは、図3からも明らかなように、交流直流コンバータ1から出力される電圧であるから、交流直流コンバータ1は、直流リンク電圧指令Vdcに基づいて制御装置8により制御される。 In FIG. 6, the "grid voltage Vgrid" is an AC voltage input from the external AC power supply 4, indicated by "Vsinωt". Here, "ω" is angular velocity, and "t" is time. In this example, the control device 8 performs sine wave control, not vector control in the dp-axis vector coordinate system. In the case of vector control, the grid voltage Vgrid is indicated by "Vcosωt". Furthermore, the "grid current Igrid" is an AC current input from the external AC power supply 4. "V * dc" is a command value of the DC link voltage Vdc. In the variable DC voltage control described above, the value of the DC link voltage Vdc is variably controlled. As is clear from FIG. 3, the DC link voltage Vdc is a voltage output from the AC-DC converter 1, and therefore the AC-DC converter 1 is controlled by the control device 8 based on the DC link voltage command V * dc.

図6に示すように、フロントエンド制御部810は、グリッド電流指令演算部815と、フロントエンドフィードバック演算部811と、フロントエンドフィードフォワード演算部812と、フロントエンドパルス生成部813と、グリッド電圧検出部819とを備えている。フロントエンド制御部810は、上述したグリッド電流センサ41、グリッド電圧センサ42、直流リンク電圧センサ61等により検出された情報を用いて演算を実行する。 As shown in FIG. 6, the front-end control unit 810 includes a grid current command calculation unit 815, a front-end feedback calculation unit 811, a front-end feedforward calculation unit 812, a front-end pulse generation unit 813, and a grid voltage detection unit 819. The front-end control unit 810 performs calculations using information detected by the grid current sensor 41, the grid voltage sensor 42, the DC link voltage sensor 61, etc. described above.

グリッド電圧検出部819は、後段の制御ブロックにおいて用いるために、グリッド電圧Vgridから、ピーク電圧(グリッド電圧波高値Vgrid_pk)、角速度ω、波形“sinωt”を検出する。本実施形態では、グリッド電圧検出部819が位相同期回路(PLL:Phase Locked Loop)を用いて構成されている形態を例示している。上述したように、ベクトル制御の場合には、波形として“cosωt”が検出される。 The grid voltage detection unit 819 detects the peak voltage (grid voltage peak value Vgrid_pk), angular velocity ω, and waveform "sinωt" from the grid voltage Vgrid for use in the subsequent control block. In this embodiment, the grid voltage detection unit 819 is configured using a phase locked loop (PLL). As described above, in the case of vector control, "cosωt" is detected as the waveform.

グリッド電流指令演算部815は、直流リンク電圧Vdcと直流リンク電圧指令Vdcとの偏差に基づいて比例積分制御(PI制御)を行って電力値を演算すると共に、当該電力値とグリッド電圧Vgridとに基づいてグリッド電流指令Igridを演算する。図6に示すように、グリッド電圧Vgridをグリッド電圧Vgridの実効値(グリッド電圧実効値Vgrid_rms)の2乗で除した値と、直流リンク電圧Vdcの偏差に基づくPI制御の演算結果との積が、グリッド電流指令Igridとなる。 The grid current command calculation unit 815 performs proportional-integral control (PI control) based on the deviation between the DC link voltage Vdc and the DC link voltage command V * dc to calculate a power value, and calculates a grid current command I * grid based on the power value and the grid voltage Vgrid. As shown in Fig. 6, the grid current command I*grid is calculated by multiplying the value obtained by dividing the grid voltage Vgrid by the square of the effective value of the grid voltage Vgrid (grid voltage effective value Vgrid_rms) and the calculation result of the PI control based on the deviation of the DC link voltage Vdc.

フロントエンドフィードバック演算部811は、グリッド電流Igridと、グリッド電流指令Igridとの偏差に基づいて比例積分制御(PI制御)を行ってフロントエンドフィードバック電圧指令Vfe_fb0を演算する。また、フロントエンドフィードバック演算部811は、フロントエンドフィードバック電圧指令Vfe_fb0を、直流リンク電圧Vdcで除することによって、フロントエンドフィードバックデューティVfe_fbを演算する。 The front-end feedback calculation unit 811 performs proportional-integral control (PI control) based on the deviation between the grid current Igrid and the grid current command I * grid to calculate a front-end feedback voltage command Vfe_fb0. The front-end feedback calculation unit 811 also calculates a front-end feedback duty Vfe_fb by dividing the front-end feedback voltage command Vfe_fb0 by the DC link voltage Vdc.

フロントエンドフィードフォワード演算部812は、フロントエンドフィードフォワードデューティVfe_ffを演算する。ここでは、正弦波状の電圧指令を生成するため、波の大きさ(振幅或いは波高値)及び位相が演算される。電圧指令の大きさは、入力電圧と出力電圧との比率(入力電圧Vin/出力電圧Vout)で定義され、グリッド電圧波高値Vgrid_pkを直流リンク電圧指令Vdcで除することによって演算される。位相は、グリッド電圧Vgridの位相“ωt”、インダクタL1による位相遅れ(“θ1”とする)、グリッド電流制御の遅れに伴う位相遅れ(“θ2”とする)、の3要素を考慮して決定される。尚、グリッド電流制御の遅れとは、グリッド電流Igridが検出されてから制御装置8の1つの制御周期においてグリッド電流指令Igridが演算され、次の制御周期において算出された電圧指令により交流直流コンバータ1が制御されることに伴う遅れ時間に相当する。 The front-end feedforward calculation unit 812 calculates the front-end feedforward duty Vfe_ff. Here, in order to generate a sinusoidal voltage command, the wave size (amplitude or peak value) and phase are calculated. The size of the voltage command is defined by the ratio between the input voltage and the output voltage (input voltage Vin/output voltage Vout), and is calculated by dividing the grid voltage peak value Vgrid_pk by the DC link voltage command V * dc. The phase is determined in consideration of three elements: the phase "ωt" of the grid voltage Vgrid, the phase delay due to the inductor L1 (denoted as "θ1"), and the phase delay associated with the delay of the grid current control (denoted as "θ2"). Note that the delay of the grid current control corresponds to the delay time associated with the grid current command I * grid being calculated in one control cycle of the control device 8 after the grid current Igrid is detected, and the AC-DC converter 1 being controlled by the voltage command calculated in the next control cycle.

インダクタL1による位相遅れ“θ1”は、インダクタL1のインダクタンスを“L”として、下記式で表される。尚、“Igrid_pk”は、グリッド電流指令波高値である。 The phase delay "θ1" caused by the inductor L1 is expressed by the following formula, where the inductance of the inductor L1 is "L." Here, "I * grid_pk" is the grid current command peak value.

θ1=-Igrid_pk・(ωL/Vgrid_pk) θ1=-I * grid_pk・(ωL/Vgrid_pk)

グリッド電流制御の遅れに伴う位相遅れ“θ2”は、電圧指令の算出に制御周期の1周期分の遅れが生じることから、1.5周期分に相当する位相として下記のように算出される。ここで、1.5周期分の補正を実施することで、制御演算結果が反映される1周期先のキャリア周期全体における平均電圧を補正することが可能となる。 The phase delay "θ2" associated with the delay in grid current control is calculated as follows, as a phase equivalent to 1.5 cycles, since a delay of one control cycle occurs in the calculation of the voltage command. By performing a correction for 1.5 cycles, it is possible to correct the average voltage over the entire carrier cycle one cycle ahead, in which the control calculation results are reflected.

θ2=ω・(グリッド電流制御1.5周期の時間/1[s]) θ2 = ω (1.5 cycles of grid current control/1 [s])

これらに基づき、正弦波状のフロントエンドフィードフォワード電圧指令Vfe_ff0が、以下のように定義される。 Based on this, the sinusoidal front-end feedforward voltage command Vfe_ff0 is defined as follows:

Vfe_ff0=1-(Vgrid_pk/Vdc)sin(ωt-θ1+θ2) Vfe_ff0=1-(Vgrid_pk/V * dc)sin(ωt-θ1+θ2)

通常の正弦波は、ゼロを振幅中心として正負の値を有するため、シフト処理等、正のデジタル値でパルスを生成するための公知の変換処理等が実施される。尚、上述した演算例では、フロントエンドフィードフォワード電圧指令Vfe_ff0は、負の値がないようにオフセットされた状態で算出されているので振幅を調整するのみでよい。図6のフロントエンドフィードフォワード演算部812における「1/2」の制御器は振幅調整器であり、当該振幅調整器を経てフロントエンドフィードフォワードデューティVfe_ffが生成される Since a normal sine wave has positive and negative values with zero as the center of amplitude, known conversion processes such as shift processing are performed to generate pulses with positive digital values. In the above calculation example, the front-end feedforward voltage command Vfe_ff0 is calculated in an offset state so that there are no negative values, so it is only necessary to adjust the amplitude. The "1/2" controller in the front-end feedforward calculation unit 812 in FIG. 6 is an amplitude adjuster, and the front-end feedforward duty Vfe_ff is generated through this amplitude adjuster.

Vfe_ff=Vfe_ff0/2 Vfe_ff=Vfe_ff0/2

フロントエンドパルス生成部813は、フロントエンドフィードバックデューティVfe_fbとフロントエンドフィードフォワードデューティVfe_ffとを加算して得られる最終的なデューティ(フロントエンドデューティVfe)に基づいて、交流直流コンバータ1を構成するスイッチング素子1Sをスイッチング制御するパルス(パルス幅変調用パルス)を生成する。フロントエンドデューティVfeは、下記のように求められる。 The front-end pulse generating unit 813 generates a pulse (pulse for pulse width modulation) that controls the switching of the switching element 1S that constitutes the AC-DC converter 1 based on the final duty (front-end duty Vfe) obtained by adding the front-end feedback duty Vfe_fb and the front-end feedforward duty Vfe_ff. The front-end duty Vfe is calculated as follows.

Vfe=Vfe_fb+Vfe_ff Vfe=Vfe_fb+Vfe_ff

このフロントエンドデューティVfeは、パルス幅変調制御におけるデューティに相当する。最終的なスイッチングパルスは、キャリア波(フロントエンドキャリアCA_fe)とフロントエンドデューティVfeとに基づく公知の演算によって生成されるため、詳細な説明は省略する。 This front-end duty Vfe corresponds to the duty in pulse width modulation control. The final switching pulse is generated by a known calculation based on the carrier wave (front-end carrier CA_fe) and the front-end duty Vfe, so a detailed explanation is omitted.

尚、ここでは、理解を容易にするために、正弦波制御による形態を例示して説明した。しかし、dq軸ベクトル座標系において演算が実行されるように、フロントエンド制御部810を構築することも可能である。当業者であれば、図6の制御ブロック図から容易に置換が可能であるから、ここでは詳細な説明は省略する。 Note that, for ease of understanding, the sinusoidal wave control has been described as an example. However, it is also possible to configure the front-end control unit 810 so that the calculations are performed in the dq axis vector coordinate system. Those skilled in the art will be able to easily substitute this from the control block diagram in FIG. 6, so a detailed description will be omitted here.

図7において、“Ia”は複数相のコイル7を流れる電流の総和である“コイル電流”を示している。本実施形態では、3相のコイル7を備えており、図3に例示する形態では、コイル電流Iaは、U相電流Iu、V相電流Iv、W相電流Iwの総和となる。“Pbat”は、定電力充電制御におけるバッテリ電力Pbatの指令値(バッテリ電力指令)である。“Vbat”はバッテリ電圧Vbatの指令値(バッテリ電圧指令)である。 In Fig. 7, "Ia" indicates the "coil current" which is the sum of currents flowing through the coils 7 of multiple phases. In this embodiment, a three-phase coil 7 is provided, and in the configuration illustrated in Fig. 3, the coil current Ia is the sum of the U-phase current Iu, the V-phase current Iv, and the W-phase current Iw. "P * bat" is the command value (battery power command) of the battery power Pbat in constant power charging control. "V * bat" is the command value (battery voltage command) of the battery voltage Vbat.

図7に示すように、バックエンド制御部820は、バックエンドフィードバック演算部821と、バックエンドフィードフォワード演算部822と、バックエンドパルス生成部823とを備えている。バックエンド制御部820は、上述したモータ電流センサ81、バッテリ電流センサ31、バッテリ電圧センサ32、直流リンク電圧センサ61等により検出された情報を用いて演算を実行する。尚、バッテリ電力Pbatについては、バッテリ電流Ibatとバッテリ電圧Vbatとの積によって求めることができる。 As shown in FIG. 7, the back-end control unit 820 includes a back-end feedback calculation unit 821, a back-end feedforward calculation unit 822, and a back-end pulse generation unit 823. The back-end control unit 820 performs calculations using information detected by the motor current sensor 81, the battery current sensor 31, the battery voltage sensor 32, the DC link voltage sensor 61, and the like. The battery power Pbat can be calculated by multiplying the battery current Ibat and the battery voltage Vbat.

バックエンドフィードバック演算部821は、バッテリ電力指令Pbatをバッテリ電圧Vbatで除して得られるバッテリ電流指令(Ibat)と、直流電源3に流す電流(バッテリ電流Ibat)に相当するコイル電流Iaとの偏差に基づいて比例積分制御(PI制御)を行ってバックエンドフィードバック電圧指令Vbe_fb0を演算する。また、バックエンドフィードバック演算部821は、バックエンドフィードバック電圧指令Vbe_fb0を、直流リンク電圧Vdcで除することによって、バックエンドフィードバックデューティVbe_fbを演算する。 The back-end feedback calculation unit 821 calculates a back-end feedback voltage command Vbe_fb0 by performing proportional-integral control (PI control) based on the deviation between a battery current command (I * bat) obtained by dividing the battery power command P * bat by the battery voltage Vbat and a coil current Ia corresponding to the current (battery current Ibat) flowing through the DC power supply 3. The back-end feedback calculation unit 821 also calculates a back-end feedback duty Vbe_fb by dividing the back-end feedback voltage command Vbe_fb0 by the DC link voltage Vdc.

バックエンドフィードフォワード演算部822は、バックエンドフィードフォワードデューティVbe_ffを演算する。バックエンドフィードフォワードデューティVbe_ffは、入力電圧と出力電圧との比率(入力電圧Vin/出力電圧Vout)で定義され、バックエンドフィードフォワード演算部822は、バッテリ電圧指令Vbatを直流リンク電圧Vdcで除することによってバックエンドフィードフォワードデューティVbe_ffを演算する。 The back-end feedforward calculation unit 822 calculates a back-end feedforward duty Vbe_ff. The back-end feedforward duty Vbe_ff is defined as a ratio between an input voltage and an output voltage (input voltage Vin/output voltage Vout), and the back-end feedforward calculation unit 822 calculates the back-end feedforward duty Vbe_ff by dividing the battery voltage command V * bat by the DC link voltage Vdc.

バックエンドパルス生成部823は、バックエンドフィードバックデューティVbe_fbとバックエンドフィードフォワードデューティVbe_ffとの和であるバックエンドデューティVbeに基づいて、直流直流コンバータ2を構成するスイッチング素子であるインバータ5のスイッチング素子5Sをスイッチング制御するパルス(パルス幅変調用パルス)を生成する。バックエンドデューティVbeは、パルス幅変調制御におけるデューティに相当する。最終的なスイッチングパルスは、キャリア波(バックエンドキャリアCA_be)とバックエンドデューティVbeとに基づく公知の演算によって生成されるため、詳細な説明は省略する。 The back-end pulse generating unit 823 generates a pulse (pulse for pulse width modulation) that controls the switching of the switching element 5S of the inverter 5, which is a switching element that constitutes the DC-DC converter 2, based on the back-end duty Vbe, which is the sum of the back-end feedback duty Vbe_fb and the back-end feedforward duty Vbe_ff. The back-end duty Vbe corresponds to the duty in pulse width modulation control. The final switching pulse is generated by a known calculation based on the carrier wave (back-end carrier CA_be) and the back-end duty Vbe, so a detailed description is omitted.

尚、図3に示すように、直流直流コンバータ2がインバータ5を利用して構成されている場合、制御対象のスイッチング素子5Sは6つ存在する。しかし、上述したように、直流電源3の正極にコイル7の中性点7Nが接続されていることから、インバータ5の3相のアームは1つのアームとして考えることができる。従って、各相の上段側のスイッチング素子5Sを同じスイッチングパルスで制御し、下段側のスイッチング素子5Sを同じスイッチングパルスで制御することができる。 As shown in FIG. 3, when the DC-DC converter 2 is configured using the inverter 5, there are six switching elements 5S to be controlled. However, as described above, since the neutral point 7N of the coil 7 is connected to the positive pole of the DC power supply 3, the three-phase arms of the inverter 5 can be considered as one arm. Therefore, the upper-stage switching elements 5S of each phase can be controlled with the same switching pulse, and the lower-stage switching elements 5S can be controlled with the same switching pulse.

図3を参照して上述したように、車載充電装置10は、交流直流コンバータ1の交流側端子T1aと、外部交流電源4とを選択的に接続する(交流側端子T1aと外部交流電源4とを断接する)フロントエンドコンタクタ11を備えている。車載充電装置10は、直流電源3に対してインバータ5の直流側端子である直流リンク端子T5dと中性点7Nとを選択的に接続するバッテリコンタクタ12を備えている。充電制御を実行する場合、制御装置8は、フロントエンドコンタクタ11を閉成させると共に、バッテリコンタクタ第1接点12aとバッテリコンタクタ第2接点12bとが接続されるように、バッテリコンタクタ12を制御する。このとき、例えば車両が長時間停車状態であったような場合には、直流リンクコンデンサ6が放電して、直流リンク電圧Vdcがほぼゼロとなっている。ここで、充電制御が開始された場合、過渡的に大きな電流が流れ込んで、直流リンクコンデンサ6を充電することになる。図3に例示するような構成の場合、交流直流コンバータ1は充電にしか用いられないため、交流直流コンバータ1を構成するスイッチング素子1Sには、回転電機70を駆動するような大電流を許容できるような性能は求められない。即ち、直流リンクコンデンサ6を充電するための過渡的な電流が、このような電流耐性が高くない素子に流れることは好ましくない。 As described above with reference to FIG. 3, the vehicle-mounted charging device 10 includes a front-end contactor 11 that selectively connects the AC side terminal T1a of the AC-DC converter 1 to the external AC power source 4 (connects and disconnects the AC side terminal T1a to the external AC power source 4). The vehicle-mounted charging device 10 includes a battery contactor 12 that selectively connects the DC link terminal T5d, which is the DC side terminal of the inverter 5, to the DC power source 3 and the neutral point 7N. When performing charging control, the control device 8 closes the front-end contactor 11 and controls the battery contactor 12 so that the battery contactor first contact 12a and the battery contactor second contact 12b are connected. At this time, for example, when the vehicle has been stopped for a long time, the DC link capacitor 6 is discharged and the DC link voltage Vdc is almost zero. When charging control is started, a large current flows in transiently to charge the DC link capacitor 6. In the configuration shown in FIG. 3, the AC-DC converter 1 is used only for charging, so the switching element 1S that constitutes the AC-DC converter 1 is not required to have the performance to tolerate a large current that drives the rotating electric machine 70. In other words, it is not desirable for the transient current for charging the DC link capacitor 6 to flow through such an element that does not have a high current resistance.

このため、本実施形態では、制御装置8は、充電制御の実行前に、直流リンクコンデンサ6を充電するプリチャージ制御を実行する。 For this reason, in this embodiment, the control device 8 executes pre-charge control to charge the DC link capacitor 6 before executing the charging control.

平滑コンデンサ(ここでは直流リンクコンデンサ6)に蓄えられた電荷は、電荷の供給元と平滑コンデンサとの電気的接続が遮断された後、放電によって次第に減少する。平滑コンデンサがほぼ完全に放電した状態から、充電制御が開始されると、平滑コンデンサが急速に充電されることになる。つまり、充電制御の開始時に電荷の供給元から平滑コンデンサへの経路には過渡的に大きな電流が流れることになる。充電制御の実行中に当該経路を流れる定常的な電流はそのような過渡的な電流に比べて遙かに小さいことから、このような過渡的な電流に備えて当該経路に流すことのできる電流の許容値を高くするなどの対策が必要となり装置規模の増大を招く可能性もある。充電制御に先だって平滑コンデンサを充電するプリチャージ制御が実行されると、充電制御の開始に伴って大きな過渡的な電流が流れることを抑制することができ、車載充電装置10を簡素に構成し易い。 The charge stored in the smoothing capacitor (here, DC link capacitor 6) gradually decreases due to discharging after the electrical connection between the charge source and the smoothing capacitor is cut off. When charging control is started from a state in which the smoothing capacitor is almost completely discharged, the smoothing capacitor is rapidly charged. In other words, when charging control starts, a large transient current flows through the path from the charge source to the smoothing capacitor. Since the steady current flowing through the path during charging control is much smaller than such a transient current, measures such as increasing the allowable value of the current that can flow through the path in preparation for such a transient current are required, which may lead to an increase in the size of the device. When pre-charge control is executed to charge the smoothing capacitor prior to charging control, it is possible to suppress the flow of a large transient current accompanying the start of charging control, and it is easy to configure the vehicle-mounted charging device 10 simply.

上述したように、制御装置8は、充電制御の実行前に、直流リンクコンデンサ6を充電するプリチャージ制御を実行する。この際、制御装置8は、充電制御の実行時に直流リンクコンデンサ6に電荷を供給する経路とは異なる経路で直流リンクコンデンサ6に電荷が供給されるようにプリチャージ制御を実行すると好適である。 As described above, the control device 8 executes pre-charge control to charge the DC link capacitor 6 before executing the charging control. At this time, it is preferable that the control device 8 executes pre-charge control so that charge is supplied to the DC link capacitor 6 via a path different from the path that supplies charge to the DC link capacitor 6 when the charging control is executed.

上述したように、車載充電装置10は、直流電源3に対してインバータ5の直流側端子である直流リンク端子T5dと直流直流コンバータ2の第2端子T22とを選択的に接続するコンタクタであるバッテリコンタクタ12を備えている。制御装置8は、プリチャージ制御では、直流電源3と直流リンク端子T5dとが接続されるようにバッテリコンタクタ12を制御し、充電制御では、直流電源3と直流直流コンバータ2の第2端子T22とが接続されるようにバッテリコンタクタ12を制御する。尚、プリチャージ制御の実行中には、フロントエンドコンタクタ11は、開放状態に制御されている。 As described above, the vehicle-mounted charging device 10 includes a battery contactor 12 that selectively connects the DC link terminal T5d, which is the DC side terminal of the inverter 5, to the DC power source 3 and the second terminal T22 of the DC-DC converter 2. In pre-charge control, the control device 8 controls the battery contactor 12 so that the DC power source 3 and the DC link terminal T5d are connected, and in charge control, the control device 8 controls the battery contactor 12 so that the DC power source 3 and the second terminal T22 of the DC-DC converter 2 are connected. During execution of pre-charge control, the front-end contactor 11 is controlled to an open state.

図8に示すように、プリチャージ制御において、直流電源3と直流リンク端子T5dとが接続されるようにバッテリコンタクタ12が制御されると、直流電源3と直流リンクコンデンサ6とが直接接続され、直流電源3により直流リンクコンデンサ6が充電される。この経路には、スイッチング素子等の素子が介在していないため、安全且つ迅速に直流リンクコンデンサ6を充電することができる。尚、直流電源3は、充電制御が必要な程度にSOCが低下している状態ではあるが、直流リンクコンデンサ6を充電する程度の電荷は残っていることが多い。従って、適切に直流リンクコンデンサ6を充電することができる。 As shown in FIG. 8, in precharge control, when the battery contactor 12 is controlled so that the DC power source 3 and the DC link terminal T5d are connected, the DC power source 3 and the DC link capacitor 6 are directly connected, and the DC link capacitor 6 is charged by the DC power source 3. Since no switching elements or other elements are interposed in this path, the DC link capacitor 6 can be safely and quickly charged. Although the SOC of the DC power source 3 is low enough that charging control is required, there is often still enough charge remaining to charge the DC link capacitor 6. Therefore, the DC link capacitor 6 can be appropriately charged.

平滑コンデンサ(ここでは直流リンクコンデンサ6)は、交流直流コンバータ1と直流直流コンバータ2との間に配置され、インバータ5の直流側端子(直流リンク端子T5d)の正負両極間に接続されている。コンタクタ(バッテリコンタクタ12)により、直流電源3とインバータ5の直流側端子とが接続されることで、プリチャージ制御において、直流電源3から直接に平滑コンデンサに電荷を供給することができる。直流電源3から平滑コンデンサへの経路には、スイッチング素子など、流すことが可能な電流の大きさを考慮する必要のある部品が配置されていないため、簡単な構成で安全且つ迅速に平滑コンデンサを充電することができる。 The smoothing capacitor (here, DC link capacitor 6) is disposed between AC-DC converter 1 and DC-DC converter 2, and is connected between the positive and negative poles of the DC side terminal (DC link terminal T5d) of inverter 5. By connecting the DC power source 3 to the DC side terminal of inverter 5 by a contactor (battery contactor 12), charge can be supplied directly from the DC power source 3 to the smoothing capacitor during precharge control. Since no components that require consideration of the amount of current that can be passed, such as switching elements, are disposed in the path from the DC power source 3 to the smoothing capacitor, the smoothing capacitor can be safely and quickly charged with a simple configuration.

ここで、プリチャージ制御を含む統合充電制御の開始時のシーケンスであるスタートシーケンスの一例について説明する。統合充電制御とは、プリチャージ制御と充電制御とを合わせた制御である。統合充電制御の開始前には、バッテリコンタクタ12、フロントエンドコンタクタ11、交流直流コンバータ1の全てのスイッチング素子1S、直流直流コンバータ2の全てのスイッチング素子2Sはオフ状態である。制御装置8は、統合充電制御を開始すると、まずバッテリコンタクタ12のバッテリコンタクタ第1接点12aとバッテリコンタクタ第3接点12cとが閉成されるように制御する。これにより、図8に示すように、直流電源3により直流リンクコンデンサ6が充電される。直流電源3のSOCが低い場合、直流リンク電圧Vdcは、満充電時のバッテリ電圧Vbatよりも低い電圧まで上昇する。制御装置8は、例えば、直流リンク電圧センサ61の検出結果に基づいて、直流リンク電圧Vdcがバッテリ電圧Vbatに達して電圧が上昇しなくなったことにより、プリチャージ制御の終了を判定することができる。 Here, an example of a start sequence, which is a sequence at the start of integrated charging control including precharge control, will be described. Integrated charging control is a control that combines precharge control and charging control. Before the start of integrated charging control, the battery contactor 12, the front-end contactor 11, all switching elements 1S of the AC-DC converter 1, and all switching elements 2S of the DC-DC converter 2 are in the off state. When the control device 8 starts integrated charging control, it first controls the battery contactor first contact 12a and the battery contactor third contact 12c of the battery contactor 12 to be closed. As a result, as shown in FIG. 8, the DC link capacitor 6 is charged by the DC power source 3. When the SOC of the DC power source 3 is low, the DC link voltage Vdc rises to a voltage lower than the battery voltage Vbat at the time of full charge. The control device 8 can determine the end of precharge control, for example, based on the detection result of the DC link voltage sensor 61, when the DC link voltage Vdc reaches the battery voltage Vbat and the voltage no longer rises.

次に制御装置8は、充電制御を開始する。具体的には、制御装置8は、フロントエンドコンタクタ11及びバッテリコンタクタ12を制御して、フロントエンドコンタクタ第1接点11aとフロントエンドコンタクタ第2接点11bとを接続させると共に、バッテリコンタクタ第1接点12aとバッテリコンタクタ第2接点12bとを接続させる。制御装置8は、フロントエンドコンタクタ11及びバッテリコンタクタ12を同じタイミングで制御しても良いし、順番に制御してもよい。制御装置8が順番に制御する場合、何れのコンタクタを先に制御してもよい。ところで、バッテリコンタクタ12は、バッテリコンタクタ第2接点12b及びバッテリコンタクタ第3接点12cが、バッテリコンタクタ第1接点12aに対して排他的に接続される。従って、制御装置8は、プリチャージ制御に続いてバッテリコンタクタ第1接点12aとバッテリコンタクタ第2接点12bとを接続させる際には、バッテリコンタクタ第1接点12aとバッテリコンタクタ第3接点12cとの接続を開放すると共に、バッテリコンタクタ第1接点12aとバッテリコンタクタ第2接点12bとを接続させる。また、上述したように、制御装置8は、直流リンク電圧Vdcがバッテリ電圧Vbatに達して電圧が上昇しなくなったことにより、プリチャージ制御の終了を判定し、予めバッテリコンタクタ第1接点12aとバッテリコンタクタ第3接点12cとの接続を開放し、バッテリコンタクタ12の全ての接点を開放状態に制御しておいてもよい。 Next, the control device 8 starts charging control. Specifically, the control device 8 controls the front-end contactor 11 and the battery contactor 12 to connect the front-end contactor first contact 11a and the front-end contactor second contact 11b, and to connect the battery contactor first contact 12a and the battery contactor second contact 12b. The control device 8 may control the front-end contactor 11 and the battery contactor 12 at the same timing, or in sequence. When the control device 8 controls in sequence, either contactor may be controlled first. Incidentally, the battery contactor 12 has the battery contactor second contact 12b and the battery contactor third contact 12c exclusively connected to the battery contactor first contact 12a. Therefore, when the control device 8 connects the first battery contactor contact 12a and the second battery contactor contact 12b following the pre-charge control, the control device 8 opens the connection between the first battery contactor contact 12a and the third battery contactor contact 12c and connects the first battery contactor contact 12a and the second battery contactor contact 12b. Also, as described above, the control device 8 may determine the end of the pre-charge control when the DC link voltage Vdc reaches the battery voltage Vbat and the voltage no longer increases, and may open the connection between the first battery contactor contact 12a and the third battery contactor contact 12c in advance, and control all the contacts of the battery contactor 12 to be in an open state.

制御装置8は、フロントエンドコンタクタ第1接点11aとフロントエンドコンタクタ第2接点11bとを接続させ、バッテリコンタクタ第1接点12aとバッテリコンタクタ第2接点12bとを接続させた後、交流直流コンバータ1のスイッチング制御を開始する。外部交流電源4から交流直流コンバータ1を介して供給される電力によって、直流リンク電圧Vdcはバッテリ電圧Vbatから充電制御における直流リンク電圧Vdcの目標電圧まで上昇する。制御装置8は、直流リンク電圧センサ61の検出結果に基づいて、直流リンク電圧Vdcが、当該目標電圧に達したと判定すると、直流直流コンバータ2のスイッチング制御を開始する。 The control device 8 connects the front-end contactor first contact 11a and the front-end contactor second contact 11b, connects the battery contactor first contact 12a and the battery contactor second contact 12b, and then starts switching control of the AC-DC converter 1. The DC link voltage Vdc rises from the battery voltage Vbat to the target voltage of the DC link voltage Vdc in the charging control due to the power supplied from the external AC power source 4 via the AC-DC converter 1. When the control device 8 determines that the DC link voltage Vdc has reached the target voltage based on the detection result of the DC link voltage sensor 61, it starts switching control of the DC-DC converter 2.

図9及び図10は、比較例として図8とは異なる経路を通って直流リンクコンデンサ6が充電される場合を例示している。図9の例では、フロントエンドコンタクタ11が閉成され、バッテリコンタクタ12は何れの接点も開放されている。この場合、交流直流コンバータ1のスイッチング素子1Sに備えられたフリーホイールダイオードにより、交流直流コンバータ1がダイオード全波整流回路として機能する。その結果、外部交流電源4からスイッチング素子1S(フリーホイールダイオード)を通って直流リンクコンデンサ6に過渡的な充電電流が流れる。 Figures 9 and 10 show, as a comparative example, a case in which the DC link capacitor 6 is charged through a path different from that in Figure 8. In the example of Figure 9, the front-end contactor 11 is closed, and both contacts of the battery contactor 12 are open. In this case, the freewheel diode provided in the switching element 1S of the AC-DC converter 1 causes the AC-DC converter 1 to function as a diode full-wave rectifier circuit. As a result, a transient charging current flows from the external AC power source 4 through the switching element 1S (freewheel diode) to the DC link capacitor 6.

交流直流コンバータ1は、直流電源3の充電のみに使用されるため、回転電機70を駆動するインバータ5に比べて流すことが可能な電流の値が小さいスイッチング素子で構成される。このため、過渡的であってもそのような電流が流れることは好ましくはない。但し、部品コストは増加するが、流すことが可能な電流の値が大きいスイッチング素子を用いて交流直流コンバータ1を構成することにより、図9に例示するような経路を形成させてプリチャージ制御が行われることを妨げるものではない。また、図9に例示する経路での直流リンクコンデンサ6の充電が許容されるように交流直流コンバータ1が構成されている場合には、制御装置8は、プリチャージ制御を実行することなく充電制御を実行してもよい。 Since the AC-DC converter 1 is used only for charging the DC power source 3, it is configured with switching elements that can pass a smaller current value than the inverter 5 that drives the rotating electric machine 70. For this reason, it is not preferable for such a current to flow even transiently. However, although the cost of parts increases, configuring the AC-DC converter 1 using switching elements that can pass a larger current value does not prevent the formation of a path such as that shown in FIG. 9 and the precharge control. In addition, if the AC-DC converter 1 is configured to allow charging of the DC link capacitor 6 through the path shown in FIG. 9, the control device 8 may perform charging control without performing precharge control.

図10の例では、フロントエンドコンタクタ11が開放され、バッテリコンタクタ12は充電制御が実行される場合と同様にバッテリコンタクタ第1接点12aとバッテリコンタクタ第2接点12bとが接続されている。この場合、直流直流コンバータ2を構成するインバータ5のスイッチング素子5Sに備えられたフリーホイールダイオードを通って直流リンクコンデンサ6に過渡的な充電電流が流れる。インバータ5のスイッチング素子5Sは、回転電機70を駆動するため、流すことが可能な電流の値が大きい。従って、電流の大きさの観点からは、この経路で直流リンクコンデンサ6を充電することが可能と考えられる。しかし、発明者らによるシミュレーションによれば、プリチャージ制御の開始時にコイル電流Iaや、直流リンク電圧Vdcが大きく振動し、ピーク値が高くなることが観測された。従って、図10に示すような直流直流コンバータ2を経由したプリチャージ制御に比べて、図8に示すように、直流直流コンバータ2を経由することなく、直流電源3と直流リンクコンデンサ6を直接接続してプリチャージ制御が好ましい。 10, the front-end contactor 11 is opened, and the battery contactor 12 is connected to the battery contactor first contact 12a and the battery contactor second contact 12b in the same manner as when charging control is executed. In this case, a transient charging current flows to the DC link capacitor 6 through a freewheel diode provided in the switching element 5S of the inverter 5 constituting the DC-DC converter 2. The switching element 5S of the inverter 5 drives the rotating electric machine 70, so the value of the current that can be passed is large. Therefore, from the viewpoint of the magnitude of the current, it is considered possible to charge the DC link capacitor 6 through this path. However, according to a simulation by the inventors, it was observed that the coil current Ia and the DC link voltage Vdc fluctuate greatly and the peak value becomes high at the start of the precharge control. Therefore, compared to the precharge control via the DC-DC converter 2 as shown in FIG. 10, the precharge control by directly connecting the DC power source 3 and the DC link capacitor 6 without passing through the DC-DC converter 2 as shown in FIG. 8 is preferable.

上述したような充電制御(定電力充電制御、可変電力充電制御、可変直流電圧制御、プリチャージ制御)は、図3を参照して上述した形態の回路構成を有する第1の例の車載充電装置10に限らず、図11に示すような形態の回路構成を有する第2の例の車載充電装置10でも実施することができる。 The above-mentioned charging control (constant power charging control, variable power charging control, variable DC voltage control, precharge control) can be implemented not only by the first example of the on-board charging device 10 having the circuit configuration described above with reference to FIG. 3, but also by the second example of the on-board charging device 10 having the circuit configuration shown in FIG. 11.

図11に示す第2の例の車載充電装置10では、交流直流コンバータ1に、回転電機70の駆動系回路(インバータ5、コイル7)が共用されている。この交流直流コンバータ1は、インバータ5と、複数相のコイル7と、インバータ5に並列に接続された単相アーム15と、インダクタL1とを備えて構成されている。複数相のコイル7の中性点7Nと単相アーム15の中点との間に、インダクタL1と外部交流電源4とが直列に接続されている。インバータ5を構成する3相のアームは、並列接続されて見かけ上1つのアームを構成しており、単相アーム15と共に、フルブリッジ回路を形成している。尚、インバータ5を構成するスイッチング素子5Sと、単相アーム15のスイッチング素子15Sとは、電気的な仕様が同等の素子である。尚、インダクタL1は、外部交流電源4に接続される配置が同じであるため、図3に示す第1の例と同一符号で示しており、回路定数が同じであることを意味するものではない。 In the second example of the on-board charging device 10 shown in FIG. 11, the AC-DC converter 1 shares the drive circuit (inverter 5, coil 7) of the rotating electric machine 70. This AC-DC converter 1 is configured with an inverter 5, a multi-phase coil 7, a single-phase arm 15 connected in parallel to the inverter 5, and an inductor L1. Between the neutral point 7N of the multi-phase coil 7 and the midpoint of the single-phase arm 15, the inductor L1 and the external AC power source 4 are connected in series. The three-phase arms constituting the inverter 5 are connected in parallel to form a single arm, and together with the single-phase arm 15, they form a full bridge circuit. The switching element 5S constituting the inverter 5 and the switching element 15S of the single-phase arm 15 are elements with the same electrical specifications. The inductor L1 is indicated by the same reference numeral as in the first example shown in FIG. 3 because it is connected to the external AC power source 4 in the same arrangement, and does not mean that the circuit constants are the same.

第2の例の車載充電装置10の直流直流コンバータ2は、回転電機70の駆動系回路を共用することなく独立して形成されている。この直流直流コンバータ2は、相補的にスイッチング制御されるようにスイッチング素子が直列接続されたアームと、当該アームの中点に接続されたバックエンドインダクタL2と、直流電源3に並列に接続された出力用平滑コンデンサC2とを備えて降圧型の直流直流変換回路として構成されている。尚、直流直流コンバータ2は昇圧型コンバータとして構成されていてもよいし、昇降圧型コンバータとして構成されていてもよい。 The DC-DC converter 2 of the vehicle-mounted charging device 10 of the second example is formed independently without sharing the drive circuit of the rotating electric machine 70. This DC-DC converter 2 is configured as a step-down DC-DC conversion circuit, including an arm in which switching elements are connected in series so as to be switched complementarily, a back-end inductor L2 connected to the midpoint of the arm, and an output smoothing capacitor C2 connected in parallel to the DC power source 3. The DC-DC converter 2 may be configured as a step-up converter or a step-up/step-down converter.

第2の例の車載充電装置10は、第1の例の車載充電装置10と同様のフロントエンドコンタクタ11及びバッテリコンタクタ12を備えている。接続形態や開閉制御については、第1の例の車載充電装置10と同様であるから説明は省略する。また、第2の例の車載充電装置10は、選択的に、交流直流コンバータ1(インバータ5)と直流電源3とを接続する、或いは、交流直流コンバータ1(インバータ5)と直流直流コンバータ2とを接続するバックエンドコンタクタ13も備えている。バックエンドコンタクタ13は、交流直流コンバータ1(インバータ5)の正極に接続されたバックエンドコンタクタ第1接点13aと、直流直流コンバータ2の入力側の正極に接続されたバックエンドコンタクタ第2接点13bと、バッテリコンタクタ第3接点12cに接続されて選択的に直流電源3の正極に接続されるバックエンドコンタクタ第3接点13cとを備えている。バックエンドコンタクタ第1接点13aとバックエンドコンタクタ第2接点13bとが接続されると、交流直流コンバータ1(インバータ5)と直流直流コンバータ2とが接続される。 The vehicle-mounted charging device 10 of the second example includes a front-end contactor 11 and a battery contactor 12 similar to those of the vehicle-mounted charging device 10 of the first example. The connection form and opening/closing control are similar to those of the vehicle-mounted charging device 10 of the first example, so a description thereof will be omitted. The vehicle-mounted charging device 10 of the second example also includes a back-end contactor 13 that selectively connects the AC-DC converter 1 (inverter 5) to the DC power source 3, or connects the AC-DC converter 1 (inverter 5) to the DC-DC converter 2. The back-end contactor 13 includes a back-end contactor first contact 13a connected to the positive electrode of the AC-DC converter 1 (inverter 5), a back-end contactor second contact 13b connected to the positive electrode of the input side of the DC-DC converter 2, and a back-end contactor third contact 13c connected to the battery contactor third contact 12c and selectively connected to the positive electrode of the DC power source 3. When the back-end contactor first contact 13a and the back-end contactor second contact 13b are connected, the AC-DC converter 1 (inverter 5) and the DC-DC converter 2 are connected.

インバータ5が回転電機70の駆動制御に用いられる場合には、図3を参照して上述したように、バッテリコンタクタ第1接点12aとバッテリコンタクタ第3接点12cとが接続される。この状態において、バックエンドコンタクタ第1接点13aとバックエンドコンタクタ第3接点13cとが接続されると、インバータ5と直流電源3とが、バックエンドコンタクタ13及びバッテリコンタクタ12を介して接続される。 When the inverter 5 is used to drive and control the rotating electric machine 70, the battery contactor first contact 12a and the battery contactor third contact 12c are connected as described above with reference to FIG. 3. In this state, when the back-end contactor first contact 13a and the back-end contactor third contact 13c are connected, the inverter 5 and the DC power source 3 are connected via the back-end contactor 13 and the battery contactor 12.

この車載充電装置10のように、中性点7Nに単相の外部交流電源4が接続される形態の場合、3相のコイル7には、同じ電流が流れる。その結果、磁気飽和等により、コイル7におけるインダクタンスが小さくなり、外部交流電源4の系統電流の高調波電流や、直流変換後のリップル電流のピーク値が大きくなることが考えられる。このため、第2の例の車載充電装置10では、外部交流電源4と複数相のコイル7の中性点7Nとの間に、インダクタL1を追加して必要なインダクタンスを確保している。 When a single-phase external AC power supply 4 is connected to the neutral point 7N, as in this vehicle-mounted charging device 10, the same current flows through the three-phase coils 7. As a result, due to magnetic saturation, etc., the inductance in the coils 7 becomes smaller, and it is considered that the harmonic current of the system current of the external AC power supply 4 and the peak value of the ripple current after DC conversion become larger. For this reason, in the vehicle-mounted charging device 10 of the second example, an inductor L1 is added between the external AC power supply 4 and the neutral point 7N of the multi-phase coils 7 to ensure the necessary inductance.

この第2の例の車載充電装置10も、図6及び図7を参照して上述したような制御形態により、交流直流コンバータ1及び直流直流コンバータ2が制御される。回路構成が異なるため、相違点は存在するが、当業者であれば適宜置換が可能であるから、詳細な説明は省略する。 In this second example of the on-board charging device 10, the AC-DC converter 1 and the DC-DC converter 2 are also controlled by the control mode described above with reference to Figures 6 and 7. Since the circuit configurations are different, there are differences, but since a person skilled in the art would be able to make appropriate substitutions, detailed explanations will be omitted.

1:交流直流コンバータ、2:直流直流コンバータ、3:直流電源、4:外部交流電源、5:インバータ、6:直流リンクコンデンサ(平滑コンデンサ)、7:コイル、7N:中性点、8:制御装置、9:車両用駆動装置、10:車載充電装置、12:バッテリコンタクタ(コンタクタ)、70:回転電機、Pbat:バッテリ電力(充電電力)、T1a:交流側端子、T1d:直流側端子、T21:第1端子、T22:第2端子、T5d:直流リンク端子(インバータの直流側端子)、Vbat:バッテリ電圧(直流電源の端子電圧)、Vbat_f:満充電電圧(第1電圧)、Vbat_s:切替電圧(第2電圧)、Vdc:直流リンク電圧(平滑コンデンサの端子電圧) 1: AC-DC converter, 2: DC-DC converter, 3: DC power source, 4: External AC power source, 5: Inverter, 6: DC link capacitor (smoothing capacitor), 7: Coil, 7N: Neutral point, 8: Control device, 9: Vehicle drive device, 10: Vehicle charging device, 12: Battery contactor (contactor), 70: Rotating electric machine, Pbat: Battery power (charging power), T1a: AC side terminal, T1d: DC side terminal, T21: First terminal, T22: Second terminal, T5d: DC link terminal (DC side terminal of inverter), Vbat: Battery voltage (terminal voltage of DC power source), Vbat_f: Full charge voltage (first voltage), Vbat_s: Switching voltage (second voltage), Vdc: DC link voltage (terminal voltage of smoothing capacitor)

Claims (5)

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、単相の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、
前記外部交流電源からの交流電力を直流電力に変換する交流直流コンバータと、
前記交流直流コンバータにより変換された直流電力の電圧を変換する直流直流コンバータと、
前記交流直流コンバータと前記直流直流コンバータとの間に配置され、前記交流直流コンバータにより変換された直流電力の電圧を平滑する平滑コンデンサと、
前記交流直流コンバータ及び前記直流直流コンバータを制御する制御装置と、を備え、
前記交流直流コンバータ及び前記直流直流コンバータの何れか一方は、前記インバータと複数相の前記コイルとを用いて構成され、
前記交流直流コンバータの交流側端子は、前記外部交流電源に接続され、
前記交流直流コンバータの直流側端子は、前記直流直流コンバータの第1端子に接続され、
前記直流直流コンバータの前記第1端子とは異なる第2端子は、前記直流電源に接続され、
前記制御装置は、
前記直流電源が満充電状態の場合の前記直流電源の端子電圧を第1電圧とし、前記第1電圧よりも低く予め設定された電圧を第2電圧として、
前記直流電源の端子電圧が、前記第2電圧よりも低い状態から前記第2電圧に達するまでは、充電制御として、前記直流電源に流れる電流と前記直流電源の端子電圧に基づく充電電力が一定となるように定電力充電制御を実行し、
前記定電力充電制御においては、前記直流電源の端子電圧が上昇することに応じて、前記平滑コンデンサの端子電圧が上昇するように可変直流電圧制御を実行する、車載充電装置。
An on-board charging device for a vehicle includes a rotating electric machine having multiple phase coils connected to each other at a neutral point and serving as a driving force source for wheels, an inverter that converts power between DC and multiple phase AC, and a DC power supply connected to the inverter, the on-board charging device charging the DC power supply with power supplied from a single-phase external AC power supply,
an AC-DC converter that converts AC power from the external AC power source into DC power;
a DC/DC converter that converts the voltage of the DC power converted by the AC/DC converter;
a smoothing capacitor disposed between the AC-DC converter and the DC-DC converter, smoothing a voltage of the DC power converted by the AC-DC converter;
a control device for controlling the AC-DC converter and the DC-DC converter,
one of the AC-DC converter and the DC-DC converter is configured using the inverter and the coils of a plurality of phases,
an AC side terminal of the AC-DC converter is connected to the external AC power supply;
a DC side terminal of the AC-DC converter is connected to a first terminal of the DC-DC converter;
a second terminal of the DC-DC converter different from the first terminal is connected to the DC power source;
The control device includes:
A terminal voltage of the DC power supply when the DC power supply is in a fully charged state is defined as a first voltage, and a voltage that is lower than the first voltage and set in advance as a second voltage,
a constant power charging control is executed as a charging control until a terminal voltage of the DC power supply reaches the second voltage from a state lower than the second voltage, so that a charging power based on a current flowing through the DC power supply and the terminal voltage of the DC power supply is constant;
In the constant power charging control, variable DC voltage control is executed so that the terminal voltage of the smoothing capacitor increases in response to an increase in the terminal voltage of the DC power supply.
前記制御装置は、前記充電制御として、前記端子電圧が前記第2電圧に達した後、前記第1電圧に達するまでは、前記端子電圧が上昇することに応じて前記充電電力が小さくなるように、前記充電電力を次第に減少させる可変電力充電制御を実行する、請求項1に記載の車載充電装置。 The vehicle-mounted charging device according to claim 1, wherein the control device executes variable power charging control as the charging control, in which the charging power is gradually reduced so that the charging power is reduced as the terminal voltage increases after the terminal voltage reaches the second voltage until the terminal voltage reaches the first voltage. 前記制御装置は、前記充電制御の実行前に、前記平滑コンデンサを充電するプリチャージ制御を実行する、請求項1又は2に記載の車載充電装置。 The on-board charging device according to claim 1 or 2, wherein the control device performs a pre-charge control to charge the smoothing capacitor before performing the charging control. 前記直流電源に対して前記インバータの直流側端子と前記直流直流コンバータの前記第2端子とを選択的に接続するコンタクタを備え、
前記制御装置は、
前記プリチャージ制御では、前記直流電源と前記インバータの直流側端子とが接続されるように前記コンタクタを制御し、
前記充電制御では、前記直流電源と前記直流直流コンバータの前記第2端子とが接続されるように前記コンタクタを制御する、請求項3に記載の車載充電装置。
a contactor that selectively connects a DC side terminal of the inverter and the second terminal of the DC-DC converter to the DC power source;
The control device includes:
In the precharge control, the contactor is controlled so that the DC power source and a DC side terminal of the inverter are connected to each other;
The in-vehicle charging device according to claim 3 , wherein the charging control comprises controlling the contactor so that the DC power source and the second terminal of the DC-DC converter are connected to each other.
前記直流電源に対して前記インバータの直流側端子と前記直流直流コンバータの前記第2端子とを選択的に接続するコンタクタを備え、
前記直流直流コンバータは、前記インバータと複数相の前記コイルとにより構成され、
前記インバータの直流側端子は、前記第1端子であり、
前記中性点は、前記第2端子である、請求項1又は2に記載の車載充電装置。
a contactor that selectively connects a DC side terminal of the inverter and the second terminal of the DC-DC converter to the DC power source;
the DC-DC converter is configured with the inverter and the coils of a plurality of phases,
a DC side terminal of the inverter is the first terminal,
The vehicle-mounted charging device according to claim 1 , wherein the neutral point is the second terminal.
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