JP2013017324A - 電源システムおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンバータおよびインバータを有する電源システムにおいて、コンバータでの電力損失低減と、蓄電装置に入出力される電流のリップルの抑制とを両立する。
【解決手段】バイパス回路４０は、バイパスリレーＢＲＬのオンにより、蓄電装置Ｂおよび電力線７の間に、コンバータ１２をバイパスした電流経路を形成する。コンバータ１２による昇圧動作が不要である動作状態では、電力線７での直流電流ＩＨの大きさに応じて、バイパス回路４０を動作させるとともにコンバータ１２を停止させる第１のモードと、バイパス回路４０を停止するとともにコンバータ１２を動作させる第２のモードとが選択される。第２のモードでは、コンバータ１２は、スイッチング素子Ｑ１をオンに固定することによって、リアクトルＬ１を経由する電流経路を蓄電装置Ｂおよび電力線７の間に形成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、電源システムおよびその制御方法に関し、より特定的には、コンバータおよびインバータによって電動機を駆動制御する電源システムの制御に関する。

インバータにより直流電圧を交流電圧に変換して電動機を駆動する電源システムが、特開２００５−１６０２８４号公報（特許文献１）、特開２００３−２１９６８８号公報（特許文献２）、特開２００２−１１８９８７号公報公報（特許文献３）、特開２０１０−１６６７９０号公報（特許文献４）および特開２００７−１０４７７８号公報（特許文献５）等に記載されている。

さらに、特開２００５−１６０２８４号公報（特許文献１）および特開２０１０−１６６７９０号公報（特許文献４）では、コンバータによってインバータに入力される直流側電圧を昇圧可能な構成が提案されている。特に、特開２００５−１６０２８４号公報（特許文献１）では、バッテリおよびインバータの間に配置された昇圧回路（コンバータ）のバイパス回路を設ける構成が記載されている。そして、昇圧回路が昇圧動作を行わないときには、バイパス回路をオンすることによって、電力損失を低減する制御が記載されている。

特開２００５−１６０２８４号公報 特開２００３−２１９６８８号公報 特開２００２−１１８９８７号公報 特開２０１０−１６６７９０号公報 特開２００７−１０４７７８号公報

特許文献１の構成では、昇圧回路（コンバータ）のバイパス時には、インバータによるスイッチングを介して、モータとバッテリとの間で電流が入出力される。したがって、バッテリを流れる電流（バッテリ電流）に、インバータでのスイッチング周波数に応じた高周波の電流が重畳される。すなわち、コンバータをバイパスすることにより、電力損失が低減する一方で、バッテリ電流のリップルが増大する。電流リップルが増大すると、同一電力（平均値）をバッテリに入出力する際の発熱量が増大する。これにより、バッテリの出力性能が低下したり、バッテリの劣化が進行したりする虞がある。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、コンバータおよびインバータを有する電源システムにおいて、コンバータでの電力損失低減と、蓄電装置（バッテリ）に入出力される電流のリップルの抑制とを両立することである。

この発明のある局面では、電源システムは、蓄電装置と、コンバータと、インバータと、バイパス回路と、コンバータおよびバイパス回路を制御するための制御部とを含む。コンバータは、電力線および蓄電装置の間で直流電圧変換を行うように構成される。コンバータは、電力線および蓄電装置の間に電気的に接続されたスイッチング素子およびリアク
トルを含む。インバータは、電力線および交流電動機の間で、複数のスイッチング素子のオンオフ制御によって直流交流電力変換を行うように構成される。バイパス回路は、動作時に、コンバータをバイパスするように蓄電装置および電力線の間を電気的に接続するように構成される。制御部は、コンバータによる昇圧が不要な動作状態である場合に、コンバータを停止するとともにバイパス回路を動作させる第１のモードと、バイパス回路を停止するとともにリアクトルを介して電力線および蓄電装置を電気的に接続するようにコンバータを動作させる第２のモードとを、電力線でのリップル電流に応じて選択的に実行するように構成される。

好ましくは、制御部は、少なくとも交流電動機の動作状態に応じて、第１のモードおよび第２のモードのいずれかを選択する。

また好ましくは、制御部は、交流電動機の動作状態およびインバータの複数のスイッチング素子のスイッチング周波数に応じて、第１のモードおよび第２のモードのいずれかを選択する。

この発明の他の局面では、電源システムの制御方法であって、電源システムは、蓄電装置と、電力線および蓄電装置との間で直流電圧変換を行うためのコンバータと、電力線および交流電動機の間で、複数のスイッチング素子のオンオフ制御によって直流交流電力変換を行うためのインバータと含む。制御方法は、コンバータによる昇圧動作が必要な動作状態であるか否かを判定する第１の判定ステップと、昇圧動作が不要な動作状態であるときに、電力線でのリップル電流が大きい動作状態であるか否かを判定する第２の判定ステップと、リップル電流が大きい動作状態ではないときに、コンバータを停止するとともに、コンバータをバイパスするように蓄電装置および電力線の間を電気的に接続するように構成されたバイパス回路を動作させるステップと、リップル電流が大きい動作状態であるときに、バイパス回路を停止するとともにコンバータ中のリアクトルを介して電力線および蓄電装置を電気的に接続するようにコンバータを動作させるステップとを含む。

好ましくは、第２の判定ステップは、少なくとも交流電動機の動作状態に応じて、リップル電流が大きい動作状態であるか否かを判定する。

また好ましくは、第２の判定ステップは、交流電動機の動作状態およびインバータの複数のスイッチング素子のスイッチング周波数に応じて、リップル電流が大きい動作状態であるか否かを判定する。

この発明によれば、コンバータおよびインバータを有する電源システムにおいて、コンバータでの電力損失低減と、蓄電装置（バッテリ）に入出力される電流のリップルの抑制とを両立することができる。

本発明の実施の形態に従う電源システムの概略構成図である。 図１に示した電源システムにおけるバイパスモードでの電流挙動を説明するための概念的な波形図である。 本発明の実施の形態に従う電源システムにおけるコンバータおよびバイパス回路の制御処理を示すフローチャートである。 昇圧動作なしで電源システムを動作させた場合における交流電動機の動作状態とリップル電流の大きさとの関係を示す概念図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお以下図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。

図１は、本発明の実施の形態に従う電源システムの概略構成図である。図１には、交流電動機Ｍ１を駆動制御するための電源システムが例示される。

図１を参照して、電源システム１００は、直流電圧発生部１０♯と、平滑コンデンサＣ０と、インバータ１４と、制御装置３０とを備える。

電源システムの負荷である交流電動機Ｍ１は、たとえば、ハイブリッド自動車または電気自動車等の電動車両の駆動輪を駆動するためのトルクを発生する駆動用電動機である。すなわち、本実施の形態では、電動車両は、エンジンを搭載しない電気自動車を含め、車輪駆動力発生用の電動機を搭載する車両全般を含むものである。なお、交流電動機Ｍ１は、一般的には、電動機および発電機の機能を併せ持つように構成される。また、この交流電動機Ｍ１は、ハイブリッド自動車では、エンジンにて駆動される発電機の機能を持つように構成されてもよい。さらに、交流電動機Ｍ１は、エンジンに対して電動機として動作し、たとえば、エンジン始動を行ない得るようなものとしてハイブリッド自動車に組み込まれるようにしてもよい。

直流電圧発生部１０♯は、蓄電装置Ｂと、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２と、平滑コンデンサＣ１と、コンバータ１２と、バイパス回路４０とを含む。

蓄電装置Ｂは、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池や電気二重層キャパシタ、あるいは、これらの組合せから成る。蓄電装置Ｂに設けられたセンサ１０によって、蓄電装置Ｂの電圧（Ｖｂ）、電流および温度が検知される。センサ１０による検出値は、制御装置３０へ出力される。

システムリレーＳＲ１は、蓄電装置Ｂの正極端子および電力線６との間に接続され、システムリレーＳＲ２は、蓄電装置Ｂの負極端子および電力線５の間に接続される。システムリレーＳＲ１，ＳＲ２は、制御装置３０からの信号ＳＥによりオン／オフされる。平滑コンデンサＣ１は、電力線６および電力線５の間に接続される。電力線６および電力線５の間の直流電圧ＶＬは、電圧センサ１１によって検出される。電圧センサ１１による検出値は、制御装置３０へ送出される。

コンバータ１２は、いわゆる昇圧チョッパの構成を有し、リアクトルＬ１と、電力用半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。

電力用半導体スイッチング素子Ｑ１およびＱ２は、電力線７および電力線５の間に直列に接続される。電力用半導体スイッチング素子Ｑ１およびＱ２のオン・オフは、制御装置３０からのスイッチング制御信号Ｓ１およびＳ２によって制御される。

この発明の実施の形態において、電力用半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」と称する）としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタあるいは、電力用バイポーラトランジスタ等を用いることができる。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に対しては、逆並列ダイオードＤ１，Ｄ２が配置されている。

リアクトルＬ１は、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２の接続ノードと電力線６の間に接続される。また、平滑コンデンサＣ０は、電力線７および電力線５の間に接続される。

インバータ１４は、電力線７および電力線５の間に並列に設けられる、Ｕ相アーム１５と、Ｖ相アーム１６と、Ｗ相アーム１７とから成る。各相アームは、電力線７および電力線５の間に直列接続されたスイッチング素子から構成される。たとえば、Ｕ相アーム１５は、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４から成り、Ｖ相アーム１６は、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６から成り、Ｗ相アーム１７は、スイッチング素子Ｑ７，Ｑ８から成る。また、スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８に対して、逆並列ダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８のオン・オフは、制御装置３０からのスイッチング制御信号Ｓ３〜Ｓ８によって制御される。

各相アームの中間点は、交流電動機Ｍ１の各相コイルの各相端に接続されている。代表的には、交流電動機Ｍ１は、３相の永久磁石モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成される。さらに、各相コイルの他端は、各相アーム１５〜１７のスイッチング素子の中間点と接続されている。

コンバータ１２は、基本的には、各スイッチング周期内でスイッチング素子Ｑ１およびＱ２が相補的かつ交互にオン・オフするように制御される。以下では、スイッチング素子Ｑ１および／またはＱ２がオンオフ制御されるコンバータ１２の動作を、「スイッチング動作」とも称する。

コンバータ１２は、スイッチング動作時には、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング周期に対するオン期間比（デューティ比）の制御によって、電圧変換比（ＶＨおよびＶＬの比）を制御する。すなわち、電力線７の直流電圧ＶＨ（インバータ１４への入力電圧に相当するこの直流電圧を、以下「システム電圧」とも称する）を電圧指令値ＶＨｒに一致されるように、電圧変換比（ＶＨ／ＶＬ）を制御することができる。

コンバータ１２の昇圧動作時には、ＶＨ＞ＶＬ（Ｖｂ）として、すなわち、蓄電装置Ｂの出力電圧よりも高い電圧によって、交流電動機Ｍ１を駆動することができる。これにより、同一電力の出力に対するインバータ１４の電流を低減できるので、交流電動機Ｍ１の動作可能領域を高出力方向に広げることができる。また、コンバータ１２は、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２を相補的かつ交互にスイッチング動作させることにより、回生および力行の電流方向の両方に対応させて、双方向の直流電圧変換を実行することができる。

なお、交流電動機Ｍ１の出力が高くないときには、コンバータ１２で昇圧することなく、直流電圧ＶＬ（Ｖｂ）によっても交流電動機Ｍ１を駆動することができる。この場合には、コンバータ１２において、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２をオンおよびオフにそれぞれ固定すれば、ＶＨ＝ＶＬ（電圧変換比＝１．０）とすることができる。以下では、このようなコンバータ１２の動作モードを、「上アームＯＮモード」とも称する。上アームＯＮモードでは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２でのスイッチング損失が発生しないので、通常のスイッチング動作よりも効率が上昇する。したがって、コンバータ１２による昇圧動作が必要でないときには、コンバータ１２は、上アームＯＮモードで動作する。

平滑コンデンサＣ０は、電力線７上の直流電圧を平滑化する。電圧センサ１３は、平滑コンデンサＣ０の両端の電圧、すなわち、システム電圧ＶＨを検出し、その検出値を制御装置３０へ出力する。

バイパス回路４０は、コンバータ１２をバイパスして電力線６および電力線７の間を電気的に接続するための電力線８と、電力線８に介挿接続されたバイパスリレーＢＲＬとを含む。バイパスリレーＢＲＬのオンオフは、制御装置３０からの信号ＳＢＥに応じてによりオン／オフされる。バイパス回路４０は、動作時には、バイパスリレーＢＲＬをオンすることにより、コンバータ１２をバイパスした電流経路を、蓄電装置Ｂおよび電力線７の
間に形成する。一方、コンバータ４０は、停止時には、バイパス回路４０は、バイパスリレーＢＲＬをオフする。これにより、コンバータ１２を経由した電流経路が、蓄電装置Ｂおよび電力線７の間に形成される。

インバータ１４は、交流電動機Ｍ１のトルク指令値が正（Ｔｒｑｃｏｍ＞０）の場合には、制御装置３０からのスイッチング制御信号Ｓ３〜Ｓ８に応答したスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８のスイッチング動作によって、電力線７上の直流電圧を交流電圧に変換して正のトルクを出力するように交流電動機Ｍ１を駆動する。また、インバータ１４は、交流電動機Ｍ１のトルク指令値が零の場合（Ｔｒｑｃｏｍ＝０）には、スイッチング制御信号Ｓ３〜Ｓ８に応答したスイッチング動作により、直流電圧を交流電圧に変換してトルクが零になるように交流電動機Ｍ１を駆動する。これにより、交流電動機Ｍ１は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍによって指定された零または正のトルクを発生するように駆動される。

さらに、電源システム１００が搭載された電動車両の回生制動時には、交流電動機Ｍ１のトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍは負に設定される（Ｔｒｑｃｏｍ＜０）。この場合には、インバータ１４は、スイッチング制御信号Ｓ３〜Ｓ８に応答したスイッチング動作により、交流電動機Ｍ１が発電した交流電圧を直流電圧に変換し、その変換した直流電圧（システム電圧）を平滑コンデンサＣ０を介してコンバータ１２へ供給する。なお、ここで言う回生制動とは、電動車両を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両を減速（または加速の中止）させることを含む。

電流センサ２４は、交流電動機Ｍ１に流れる電流（相電流）を検出し、その検出値を制御装置３０へ出力する。なお、三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの瞬時値の和は零であるので、図１に示すように２相分のモータ電流（たとえば、Ｖ相電流ｉｖおよびＷ相電流ｉｗ）を検出するように配置してもよい。

回転角センサ（レゾルバ）２５は、交流電動機Ｍ１のロータ回転角ＡＮＧを検出し、その検出した回転角ＡＮＧを制御装置３０へ送出する。制御装置３０では、回転角ＡＮＧに基づき交流電動機Ｍ１の回転速度および回転周波数ωｅを算出できる。なお、回転角センサ２５については、回転角ＡＮＧを制御装置３０にてモータ電圧や電流から直接演算することによって、配置を省略してもよい。

制御装置３０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）により構成され、予め記憶されたプログラムを図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）で実行することによるソフトウ
ェア処理および／または専用の電子回路によるハードウェア処理により、電源システム１００の動作を制御する。

代表的な機能として、制御装置３０は、センサ１０による検出値、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍ、電圧センサ１１によって検出された直流電圧ＶＬ、電圧センサ１３によって検出されたシステム電圧ＶＨおよび電流センサ２４によって検出されるモータ電流ｉｖ，ｉｗ、回転角センサ２５からの回転角ＡＮＧ等に基づいて、コンバータ１２およびインバータ１４の動作を制御する。すなわち、コンバータ１２およびインバータ１４を上記のように制御するためのスイッチング制御信号Ｓ１〜Ｓ８を生成して、コンバータ１２およびインバータ１４へ出力する。

具体的には、制御装置３０は、システム電圧ＶＨをフィードバック制御し、システム電圧ＶＨが電圧指令値ＶＨｒに一致するようにスイッチング制御信号Ｓ１，Ｓ２を生成する。なお、電圧指令値ＶＨｒについては、交流電動機Ｍ１の動作状態（たとえば、トルクおよび回転速度）に応じた最適値が設定される。一般的に、交流電動機Ｍ１の高出力時には
、電圧指令値ＶＨｒを高くする必要がある。すなわち、コンバータ１２の昇圧が必要であるか否かについても、基本的には、交流電動機Ｍ１の動作状態に基づいて判断される。

また、制御装置３０は、交流電動機Ｍ１がトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍに従ったトルクを出力するように、スイッチング制御信号Ｓ３〜Ｓ８を生成してインバータ１４へ出力する。さらに、制御装置３０は、電源システム１００の起動／停止に応答して、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２のオンオフを制御する。トルク制御の手法については、公知の任意の手法を適用可能である。

交流電動機Ｍ１を駆動制御する際に、電力線７には、交流電動機Ｍ１および蓄電装置Ｂの間で入出力される電力に応じた電流ＩＨが流れる。直流電圧ＶＨおよび直流電流ＩＨの積が、交流電動機Ｍ１および蓄電装置Ｂの間で入出力される電力に相当する。

本実施の形態に従う電源システムでは、コンバータ１２のバイパス回路４０が設けられている。したがって、コンバータ１２による昇圧動作が不要であるときには、コンバータ１２を上アームＯＮモードで制御する他に、バイパス回路４０を動作させてコンバータ１２を停止させる動作モード（以下、「バイパスモード」とも称する）が可能である。

バイパスモードでは、コンバータ１２の消費電力がカットされるので効率を向上することができる。これにより、電動車両では、蓄電装置Ｂの蓄積電力による走行距離を延ばすことができる。

図２は、バイパスモードにおける電流挙動を説明するための概念的な波形図である。
図２を参照して、電力線７を流れる電流ＩＨは、直流成分である平均電流ＩＨａｖにリップル成分Ｉｒ（以下、リップル電流Ｉｒとも称する）が重畳された波形となる。バイパスモードでは、コンバータ１２を経由することなく電流ＩＨが流れるので、インバータ１４におけるスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８によるオンオフ制御（スイッチング）に伴う電流変動が、そのままリップル電流Ｉｒとして現れる。

リップル電流Ｉｒは、そのときの電流レベル（平均電流ＩＨａｖ）およびインバータ１４でのスイッチング周波数に依存することになる。したがって、交流電動機Ｍ１の高出力状態、すなわち、高トルクおよび／または高回転速度の状態では、リップル電流Ｉｒが相対的に大きくなる。特に、高出力時にスイッチング損失を低減するためにインバータのキャリア周波数（すなわち、スイッチング周波数）を低くする制御が組み合わされている場合には、さらにリップル電流Ｉｒが大きくなる。そして、このリップル電流Ｉｒは、そのまま蓄電装置Ｂを流れる。蓄電装置Ｂの電流リップルが大きくなると、同一電力の入出力に対して発熱量が増加する。

インバータ１４がスイッチング動作しているとき、すなわち、直流電圧ＶＨを電圧指令値ＶＨｒに従って制御している場合には、スイッチング素子Ｑ１および／またはＱ２のオンオフによって、電流ＩＨもスイッチングされるためリップル電流Ｉｒは比較的小さくなる。

また、コンバータ１２が上アームＯＮモードで動作しているときには、電力線７および蓄電装置Ｂの間の電流経路にリアクトルＬ１が含まれる。したがって、リップル電流Ｉｒは、バイパスモードよりも小さくなる。

コンバータ１２の昇圧動作が不要であるときに、バイパスモードと上アームＯＮモードとを比較すると、電力損失の面では、バイパスモードが有利である。一方で、バイパスモードでは、リップル電流Ｉｒが大きくなることにより蓄電装置Ｂの発熱が大きくなる虞が
ある。このため、蓄電装置Ｂの劣化を抑制するために、蓄電装置Ｂの充放電電力を制限することが必要になる可能性がある。

したがって、本実施の形態に従う電源システムでは、コンバータ昇圧が不要である動作状態において、リップル電流が過大となることがないように、バイパス回路４０の動作を制御する。

図３は、本発明の実施の形態に従う電源システムにおけるコンバータおよびバイパス回路の制御処理を示すフローチャートである。図３に示す制御処理は、制御装置３０によって所定周期毎に繰返し実行される。すなわち、図３のフローチャートの各ステップの制御処理は、制御装置３０によって実行される所定プログラムおよび／または制御装置３０内の電子回路（ハードウェア）による制御演算処理によって実現されるものとする。

制御装置３０は、ステップＳ１００では、昇圧不要な動作モードであるかどうかを判定する。たとえば、直流電圧ＶＨの電圧指令値ＶＨｒに基づいて、ステップＳ１００の判定が実施される。

昇圧が必要な動作状態のとき（Ｓ１００のＮＯ判定時）には、コンバータ１２によるスイッチング動作が必要である。したがって、制御装置３０は、ステップＳ１２０に処理を進めて、バイパス回路４０をオフするとともに、コンバータ１２をスイッチング動作させる。これにおり、直流電圧ＶＨが電圧指令値ＶＨｒに一致するように、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフが制御される。

一方、昇圧不要の動作状態であるとき（Ｓ１００のＹＥＳ判定時）には、制御装置３０は、ステップＳ１１０に処理を進めて、バイパスモードの適用時にリップル電流が大きい動作状態であるかどうかを判定する。

上述のように、バイパスモードにおけるリップル電流Ｉｒの大きさは、交流電動機Ｍ１の動作状態およびインバータ１４でのスイッチング周波数（キャリア周波数）に依存する。

図４には、昇圧動作なしで電源システムを動作させた場合における交流電動機Ｍ１の動作状態とリップル電流の大きさとの関係が概念的に示される。

図４を参照して、昇圧動作なしでの最大出力線１５０よりも内側の動作領域で、交流電動機Ｍ１が動作する。トルクＴ０は、昇圧動作なしの下で交流電動機Ｍ１が発生できるトルクの最大値である。たとえば、スイッチング素子等の回路素子での最大許容電流に応じて、トルクＴ０が決まる。また、回転速度Ｎ０は、昇圧動作なしの下で交流電動機Ｍ１が動作したときの回転速度の最大値である。たとえば、交流電動機Ｍ１が発生する誘起電圧に応じて、回転速度Ｎ０が決まる。

図４に示した動作領域内において。リップル電流Ｉｒは、トルクおよび回転速度が大きいほど大きくなる。事前の実機実験等により、交流電動機Ｍ１のトルクおよび回転速度の組合せ（すなわち、動作状態）に対して、バイパスモードにおけるリップル電流Ｉｒの大きさを対応付けるマップを予め作成することができる
さらに、リップル電流Ｉｒにはインバータ１４のスイッチング周波数も影響するので、交流電動機Ｍ１の動作状態およびインバータ１４のスイッチング周波数に対してリップル電流Ｉｒの大きさを推定するマップを作成することができる。

なお、高出力時にスイッチング損失の低減を図るために、交流電動機Ｍ１のトルクおよ
び回転速度の組合せ（すなわち、動作状態）に応じて、スイッチング周波数を可変に設定する制御が採用されている場合には、交流電動機Ｍ１の動作状態に対してリップル電流Ｉｒの大きさを推定するマップを統一的に作成することができる。

ステップＳ１１０による判定は、たとえば、交流電動機Ｍ１の動作状態（あるいは、交流電動機Ｍ１の動作状態およびインバータのスイッチング周波数）に基づく上記マップの参照によって得られるリップル電流の推定値と、所定の判定値との比較によって実行することができる。

あるいは、バイパスモードの選択時におけるステップＳ１１０の判定、すなわち、バイパスモードから上アームＯＮモードへの遷移の判定は、リップル電流Ｉｒの実測値に基づいて判定してもよい。たとえば、バイパスモードでは、蓄電装置Ｂの電流Ｉｂの検出値に基づいて、リップル電流Ｉｒを検出することが可能である。

制御装置３０は、昇圧不要の場合に、リップル電流が大きい動作状態であるとき（Ｓ１１０のＹＥＳ判定時）には、ステップＳ１３０に処理を進めて、上アームＯＮモードを選択する。これにより、制御装置３０は、バイパス回路４０を停止させるために、バイパスリレーＢＲＬをオフするように信号ＳＢＥを生成する。さらに、コンバータ１２に対して、スイッチング素子Ｑ１をオンに固定し、スイッチング素子Ｑ２をオフに固定するように制御指令を発する。これにより、リアクトルＬ１を経由した電流経路が形成されるため、リップル電流Ｉｒ、すなわち蓄電装置Ｂの電流リップルが抑制される。

一方、制御装置３０は、昇圧不要の場合に、リップル電流が大きい動作状態ではないとき（Ｓ１１０のＮＯ判定時）には、ステップＳ１４０に処理を進めて、バイパスモードを選択する。これにより、制御装置３０は、バイパス回路４０を動作させるために、バイパスリレーＢＲＬをオンするように信号ＳＢＥを生成する。さらに、コンバータ１２に対して停止指令を発する。これにより、コンバータ１２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオフに固定される。

これにより、昇圧動作が不要である場合に、コンバータ１２をバイパスしてもリップル電流Ｉｒが大きくならない動作状態では、バイパス回路４０を動作させることにより、コンバータ１２を停止することにより電源システムの効率を高めることができる。

一方で、コンバータ１２をバイパスするとリップル電流Ｉｒが大きくなる動作状態では、コンバータ１２を上アームＯＮモードで動作させることにより、コンバータ１２での損失電力を抑制しつつ、電流リップルを低減することができる。これにより、蓄電装置Ｂの温度上昇による充放電電力の制限を回避できるので、蓄電装置Ｂの電力を有効に使用できる。

このように、本実施の形態に従う電源システムによれば、コンバータおよびインバータを有する構成において、コンバータでの電力損失低減と、蓄電装置に入出力される電流のリップルの抑制とを両立することができる。

なお、本実施の形態に従う電源システムは、交流電動機Ｍ１の出力定格が異なるシステムに対しても共通に適用できる汎用化のメリットも有する。たとえば、交流電動機Ｍ１の出力定格が比較的高いバイブリッド自動車に対応して設計した電源システムを、交流電動機Ｍ１の出力定格が比較的低い電気自動車に適用することができる。

高出力のシステムに合わせて設定された電源システム（コンバータおよびインバータ）を、低出力のシステムに適用する場合には、負荷となる交流電動機Ｍ１の出力が低いので
、昇圧不要な動作状態となる頻度が高くなる。このため、仮にバイパス回路４０が配置されていないと、この動作状態ではコンバータ１２が連続的に上アームＯＮモードで動作する。このとき、コンバータ１２には同一の電流経路が継続的に形成されることになるので、スイッチング素子Ｑ１（ダイオードＤ１）およびリアクトルＬ１等の回路素子が、連続的な通電によって発熱する。この結果、回路素子の過度の温度上昇を防止するために、電流制限、すなわち、蓄電装置Ｂの充放電電力の制限が必要となる虞がある。この制限は、交流電動機Ｍ１の出力制限につながる。

これに対して、本実施の形態に従う電源システムでは、バイパス回路４０を設けるとともに、リップル電流に応じてバイパスモードと上アームＯＮモードとを選択的に適用できるので、昇圧動作が不要である場合にコンバータ１２を常時動作させる必要がない。したがって、低出力のシステムに適用する場合に、リップル電流の増大を避けながら電力損失を低減させるとともに、コンバータ１２の回路素子の温度上昇による出力制限を回避することが可能となる。すなわち、本実施の形態に従う電源システムでは汎用性が高められる。

一方、高出力のシステムに適用する場合には、昇圧動作が不要である場合にバイパス回路４０を用いることにより、リップル電流の増大を避けながらコンバータ１２の消費電力を抑制することが可能となる。すなわち、バイパス回路４０を設けない構成と比較して、電源システムの効率をさらに高めることができる。

なお、図１では、コンバータ１２を昇圧チョッパ回路として説明したが、コンバータ１２は、昇圧動作なしの場合における電流リップルが、バイパス回路動作時よりも小さい限り、任意の回路構成とすることができる。

また、電源システムの負荷となる交流電動機についても、本実施の形態では、電動車両（ハイブリッド自動車、電気自動車等）に車両駆動用として搭載された永久磁石モータを想定したが、それ以外の機器に用いられる任意の交流電動機を負荷とする構成についても、本願発明を適用可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、コンバータおよびインバータによって電動機を駆動制御する電源システムに適用することができる。

５〜８ 電力線、１０ センサ、１０♯ 直流電圧発生部、１１，１３ 電圧センサ、１２ コンバータ、１４ インバータ、１５〜１７ 各相アーム、２４ 電流センサ、２５ 回転角センサ、３０ 制御装置、４０ バイパス回路、１００ 電源システム、１５０ 最大出力線（昇圧動作なし）、ＡＮＧ ロータ回転角、Ｂ 蓄電装置、ＢＲＬ バイパスリレー、Ｃ０，Ｃ１ 平滑コンデンサ、Ｄ１，Ｄ２ ダイオード、Ｄ１ 逆並列ダイオード、ＩＨ 直流電流、ＩＨａｖ 平均電流、Ｉｒ リップル電流、Ｌ１ リアクトル、Ｍ１ 交流電動機、Ｎ０ 回転速度、Ｑ１〜Ｑ８ 電力用半導体スイッチング素子、Ｓ１〜Ｓ８ スイッチング制御信号、ＳＢＥ，ＳＥ 信号（リレー）、ＳＲ１，ＳＲ２ システムリレー、Ｔｒｑｃｏｍ トルク指令値、ＶＨ 直流電圧（システム電圧）、ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ 三相電流（モータ電流）。

Claims (6)

1. 蓄電装置と、
   電力線および前記蓄電装置の間で直流電圧変換を行うためのコンバータとを備え、
   前記コンバータは、前記電力線および前記蓄電装置の間に電気的に接続されたスイッチング素子およびリアクトルを含み、
   前記電力線および交流電動機の間で、複数のスイッチング素子のオンオフ制御によって直流交流電力変換を行うためのインバータと、
   動作時に、前記コンバータをバイパスするように前記蓄電装置および前記電力線の間を電気的に接続するためのバイパス回路と、
   前記コンバータおよびバイパス回路を制御するための制御部とをさらに備え、
   前記制御部は、
   前記コンバータによる昇圧が不要な動作状態である場合に、前記コンバータを停止するとともに前記バイパス回路を動作させる第１のモードと、前記バイパス回路を停止するとともに前記リアクトルを介して前記電力線および前記蓄電装置を電気的に接続するように前記コンバータを動作させる第２のモードとを、前記電力線でのリップル電流に応じて選択的に実行するように構成される、電源システム。
2. 前記制御部は、少なくとも前記交流電動機の動作状態に応じて、前記第１のモードおよび前記第２のモードのいずれかを選択する、請求項１記載の電源システム。
3. 前記制御部は、前記交流電動機の動作状態および前記インバータの前記複数のスイッチング素子のスイッチング周波数に応じて、前記第１のモードおよび前記第２のモードのいずれかを選択する、請求項１記載の電源システム。
4. 蓄電装置と、電力線および前記蓄電装置の間で直流電圧変換を行うためのコンバータと、前記電力線および交流電動機の間で、複数のスイッチング素子のオンオフ制御によって直流交流電力変換を行うためのインバータとを備える電源システムの制御方法であって、
   前記コンバータによる昇圧動作が必要な動作状態であるか否かを判定する第１の判定ステップと、
   前記昇圧動作が不要な動作状態であるときに、前記電力線でのリップル電流が大きい動作状態であるか否かを判定する第２の判定ステップと、
   前記リップル電流が大きい動作状態ではないときに、前記コンバータを停止するとともに、前記コンバータをバイパスするように前記蓄電装置および前記電力線の間を電気的に接続するように構成されたバイパス回路を動作させるステップと、
   前記リップル電流が大きい動作状態であるときに、前記バイパス回路を停止するとともに前記コンバータ中のリアクトルを介して前記電力線および前記蓄電装置を電気的に接続するように前記コンバータを動作させるステップとを備える、電源システムの制御方法。
5. 前記第２の判定ステップは、少なくとも前記交流電動機の動作状態に応じて、前記リップル電流が大きい動作状態であるか否かを判定する、請求項４記載の電源システムの制御方法。
6. 前記第２の判定ステップは、前記交流電動機の動作状態および前記インバータの前記複数のスイッチング素子のスイッチング周波数に応じて、前記リップル電流が大きい動作状態であるか否かを判定する、請求項４記載の電源システムの制御方法。

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