特開 2023-114972 モーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023114972

(43)【公開日】2023-08-18

(54)【発明の名称】モーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20230810BHJP

   B60L 9/18 20060101ALI20230810BHJP

   B60L 50/60 20190101ALI20230810BHJP

   B60L 53/14 20190101ALI20230810BHJP

   B60L 53/24 20190101ALI20230810BHJP

   B60L 58/12 20190101ALI20230810BHJP

   H02M 7/12 20060101ALI20230810BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20230810BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 P

H02J7/00 L

B60L9/18 P

B60L50/60

B60L53/14

B60L53/24

B60L58/12

H02M7/12 601A

H02M7/12 M

H02M7/48 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022172680

(22)【出願日】2022-10-27

(31)【優先権主張番号】10-2022-0015595

(32)【優先日】2022-02-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(71)【出願人】

【識別番号】591251636

【氏名又は名称】現代自動車株式会社

【氏名又は名称原語表記】ＨＹＵＮＤＡＩ ＭＯＴＯＲ ＣＯＭＰＡＮＹ

【住所又は居所原語表記】１２， Ｈｅｏｌｌｅｕｎｇ－ｒｏ， Ｓｅｏｃｈｏ－ｇｕ， Ｓｅｏｕｌ， Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ

(71)【出願人】

【識別番号】500518050

【氏名又は名称】起亞株式会社

【氏名又は名称原語表記】ＫＩＡ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

【住所又は居所原語表記】１２， Ｈｅｏｌｌｅｕｎｇ－ｒｏ， Ｓｅｏｃｈｏ－ｇｕ， Ｓｅｏｕｌ， Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ

(74)【代理人】

【識別番号】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋 学

(74)【代理人】

【識別番号】100127465

【弁理士】

【氏名又は名称】堀田 幸裕

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100124372

【弁理士】

【氏名又は名称】山ノ井 傑

(72)【発明者】

【氏名】キム、ミョンホ

(72)【発明者】

【氏名】リム、ヨンソル

(72)【発明者】

【氏名】シン、サンチョル

(72)【発明者】

【氏名】ジョン、カンホ

【テーマコード（参考）】

5G503

5H006

5H125

5H770

【Ｆターム（参考）】

5G503AA01

5G503BA01

5G503BB01

5G503CA01

5G503CA11

5G503CC02

5G503DA07

5G503FA06

5G503GB06

5G503GD06

5H006CA01

5H006CB01

5H006DB01

5H125AA01

5H125AC12

5H125AC24

5H125BB05

5H125BB07

5H125BC21

5H125CD04

5H125DD02

5H125EE23

5H770BA02

5H770CA06

5H770DA03

5H770DA22

5H770DA27

5H770DA30

5H770DA41

5H770EA01

5H770JA17Z

(57)【要約】

【課題】モーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システムの提供。
【解決手段】本発明の車両用バッテリー充電システムは、複数の第１スイッチング素子及び複数の第２スイッチング素子をそれぞれ含み、バッテリーに接続された直流端と、複数の巻線の一端及び多端にそれぞれ接続された交流端とを有する第１及び第２インバーター；複数の巻線の他端にそれぞれ接続された一端と、相互接続された他端とを有する複数の第３スイッチング素子；複数の第３スイッチング素子の他端とバッテリーの負端子との間に配置され、バッテリーを充電する充電モードで直流充電電圧が印加される充電用キャパシタ；充電用キャパシタと直列に接続された第４スイッチング素子；及び充電モードで第４スイッチング素子をオンにし、直流充電電圧及びバッテリーの電圧の大きさに基づいて、第１、第２、及び第３スイッチング素子の開放／短絡状態を制御するコントローラ；を含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の相にそれぞれ対応する複数の巻線を有するモーターを駆動するモーター駆動システムを用いてバッテリーを充電するバッテリー充電システムであって、
複数の第１スイッチング素子を含み、前記バッテリーに接続された直流端と、前記複数の巻線の一端に接続された交流端とを有する第１インバーター；
複数の第２スイッチング素子を含み、前記バッテリーに接続された直流端と、前記複数の巻線の他端に接続された交流端とを有する第２インバーター；
前記複数の巻線の他端にそれぞれ接続された一端と、相互接続された他端とを有する複数の第３スイッチング素子；
前記複数の第３スイッチング素子の他端と前記バッテリーの負端子との間に配置され、前記バッテリーを充電する充電モードで直流充電電圧が印加される充電用キャパシタ；
前記充電用キャパシタと直列に接続された第４スイッチング素子；及び
前記充電モードで前記第４スイッチング素子をオンにし、前記直流充電電圧の大きさ及び前記バッテリーの電圧の大きさに基づいて、前記複数の第１スイッチング素子、前記複数の第２スイッチング素子、及び前記複数の第３スイッチング素子の開放／短絡状態を制御するコントローラ；を含む、モーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システム。

【請求項2】

前記複数の第３スイッチング素子の他端に一端が接続され、前記直流充電電圧の高電位が他端に印加される第１充電電力印加スイッチ、及び前記バッテリーの負端子に一端が接続され、前記直流充電電圧の低電位が他端に印加される第２充電電力印加スイッチをさらに含み、
前記コントローラは、前記充電モードで前記第１充電電力印加スイッチ及び第２充電電力印加スイッチを短絡状態となるように制御する、請求項１に記載のモーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システム。

【請求項3】

前記コントローラは、
前記モーターを駆動する駆動モードで前記第４スイッチング素子をオフにする、請求項１に記載のモーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システム。

【請求項4】

前記充電用キャパシタは、
前記第４スイッチング素子がオフになることにより、前記複数の第３スイッチング素子の他端に形成された前記モーターの中性端と電気的に分離される、請求項３に記載のモーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システム。

【請求項5】

前記第４スイッチング素子は、ＦＥＴを含む、請求項１に記載のモーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システム。

【請求項6】

前記第４スイッチング素子は、前記第１インバーター及び前記第２インバーターが実装されるインバーターボード上に実装される、請求項１に記載のモーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システム。

【請求項7】

前記充電用キャパシタは、前記複数の第３スイッチング素子の他端と前記第４スイッチング素子との間に配置された、請求項１に記載のモーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システム。

【請求項8】

前記第４スイッチング素子は、前記複数の第３スイッチング素子の他端と前記充電用キャパシタとの間に配置された、請求項１に記載のモーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システム。

【請求項9】

前記直流充電電圧が前記バッテリーの電圧よりも低い場合、
前記コントローラは、前記充電モードで、前記複数の第３スイッチング素子を全て短絡状態に制御し、前記第１インバーターのロアスイッチング素子－前記第１インバーターのロアスイッチング素子は、前記第１インバーターに含まれているスイッチング素子のうち、前記直流端の低電位端に接続されたスイッチング素子－をパルス幅変調制御して前記直流充電電圧を昇圧する、請求項１に記載のモーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システム。

【請求項10】

前記直流充電電圧が前記バッテリーの電圧に一致する場合、
前記コントローラは、前記充電モードで、前記複数の第３スイッチング素子を全て短絡状態に制御し、前記第２インバーターのアッパースイッチング素子－前記第２インバーターのアッパースイッチング素子は、前記第２インバーターに含まれているスイッチング素子のうち、前記直流端の高電位端に接続されたスイッチング素子－を介して、充電電流が前記バッテリーへ伝達されるように制御する、請求項１に記載のモーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システムに係り、さらに詳細には、モーター内の巻線の両端にそれぞれ連結された複数のインバーターを用いてモーターを駆動するオープンエンドワインディングモーター駆動システムを用いて車両内のバッテリーを充電することができる、モーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

モーターにより発生するトルクを動力として用いる電気自動車などの環境調和型車両の燃費（又は電費）は、インバーター－モーターの電力変換効率によって決定されるので、燃費向上のためには、インバーターの電力変換効率とモーターの効率を極大化することが重要である。

【0003】

このため、車両の駆動モーター内の巻線の一端を互いに連結してＹ結線を形成した後、モーターを駆動するクローズドエンドワインディング（Ｃｌｏｓｅｄ Ｅｎｄ Ｗｉｎｄｉｎｇ）モードと、モーター巻線の両端にそれぞれインバーターを連結してモーター巻線の両端が開放された状態でモーターを駆動するオープンエンドワインディング（Ｏｐｅｎ Ｅｎｄ Ｗｉｎｄｉｎｇ）モードを選択的に決定してモーターを駆動することができる技術が提案されている。

【0004】

一方、一般的に電気自動車（ＥＶ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）又はプラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ：Ｐｌｕｇ－ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）は、外部の充電設備で提供される電力を車両内のバッテリー充電に適した状態に変換してバッテリーへ提供してバッテリー充電を行っている。

【0005】

従来、急速充電のための充電設備は、４００Ｖの単一の電圧規格を出力するように製作されたが、車両内で使用されるバッテリーは、効率、走行可能距離向上のために８００Ｖ或いはそれ以上の電圧を有するようにバッテリーが設計される傾向にある。このため、様々な電圧の大きさを有する車両のバッテリー充電のためには、バッテリー電圧の仕様に適合する様々な電圧帯の充電設備が備えられるか、或いは１つの充電設備が複数の電圧帯を出力することができるように実現されなければならない。

【0006】

このような充電インフラストラクチャを構築するには多くの費用がかかるという問題が発生するだけでなく、充電設備が持つ充電電流制限により電圧を下げて出力する場合、充電電力が減少するにつれて充電時間が増加するという問題が発生するおそれがある。

【0007】

そこで、当技術分野では、複数のインバーターを用いてオープンエンドワインディングモードでモーターを駆動するモーター駆動システムにおいて、既存のインフラストラクチャで構築されている充電設備で提供する充電電圧の大きさを追加的装置及び追加的費用上昇なしに変換してバッテリーを充電することができるバッテリー充電技法が求められている。

【0008】

さらに、急速充電の際に外部充電器の入力電圧リップルを減らし、安定的な電圧維持のために充電用キャパシタをモーターのＹ結線の中性端に連結するが、このような充電用キャパシタは、走行のためのモーターを駆動する場合には、中性端とは分離される必要がある。このために、従来のモーター駆動システムでは、充電電流の導通経路上にリレーを適用したが、大電流である充電電流によりリレーの発熱、劣化や焼損の問題がある。

【0009】

上記の背景技術として説明された事項は、本発明の背景に対する理解を増進するためのものに過ぎず、当該技術分野における通常の知識を有する者に既に知られている従来技術に該当することを認めるものと受け入れられてはならないだろう。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

そこで、本発明は、外部の充電設備で提供する充電電圧の大きさを、別途の専用変換装置なしに、オープンエンドワインディングモードでモーターを駆動するためのモーター駆動システムを用いて適宜変換してバッテリーを充電することができる、モーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システムを提供することを目的とする。

【0011】

また、本発明は、充電用キャパシタとモーター巻線の中性点との効果的な接続及び遮断が可能なモーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システムを提供することを目的とする。

【0012】

本発明の目的は、上述した目的に限定されず、上述していない別の目的は、以降の記載から本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解できるだろう。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記の目的を達成するための手段として、本発明の一実施形態による複数の相にそれぞれ対応する複数の巻線を有するモーターを駆動するモーター駆動システムを用いてバッテリーを充電するバッテリー充電システムは、複数の第１スイッチング素子を含み、前記バッテリーに接続された直流端と、前記複数の巻線の一端に接続された交流端とを有する第１インバーター；複数の第２スイッチング素子を含み、前記バッテリーに接続された直流端と、前記複数の巻線の他端に接続された交流端とを有する第２インバーター；前記複数の巻線の他端にそれぞれ接続された一端と、互いに接続された他端とを有する複数の第３スイッチング素子；前記複数の第３スイッチング素子の他端と前記バッテリーの負端子との間に配置され、前記バッテリーを充電する充電モードで直流充電電圧が印加される充電用キャパシタ；前記充電用キャパシタと直列に接続された第４スイッチング素子；及び前記充電モードで前記第４スイッチング素子をオンにし、前記直流充電電圧の大きさ及び前記バッテリーの電圧の大きさに基づいて、前記複数の第１スイッチング素子、前記複数の第２スイッチング素子及び前記複数の第３スイッチング素子の開放／短絡状態を制御するコントローラ；を含むことができる。

【0014】

例えば、前記バッテリー充電システムは、前記複数の第３スイッチング素子の他端に一端が接続され、前記直流充電電圧の高電位が他端に印加される第１充電電力印加スイッチ、及び前記バッテリーの負端子に一端が接続され、前記直流充電電圧の低電位が他端に印加される第２充電電力印加スイッチをさらに含み、前記コントローラは、前記充電モードで前記第１充電電力印加スイッチ及び第２充電電力印加スイッチを短絡状態となるように制御することができる。

【0015】

例えば、前記コントローラは、前記モーターを駆動する駆動モードで前記第４スイッチング素子をオフにすることができる。

【0016】

例えば、前記充電用キャパシタは、前記第４スイッチング素子がオフになることにより、前記複数の第３スイッチング素子の他端に形成された前記モーターの中性端と電気的に分離されることができる。

【0017】

例えば、前記第４スイッチング素子は、ＦＥＴを含むことができる。

【0018】

例えば、前記第４スイッチング素子は、前記第１インバーター及び前記第２インバーターが実装されるインバーターボード上に実装されることができる。

【0019】

例えば、前記充電用キャパシタは、前記複数の第３スイッチング素子の他端と前記第４スイッチング素子との間に配置されることができる。

【0020】

例えば、前記第４スイッチング素子は、前記複数の第３スイッチング素子の他端と前記充電用キャパシタとの間に配置されることができる。

【0021】

例えば、前記直流充電電圧が前記バッテリーの電圧よりも低い場合、前記コントローラは、前記充電モードで、前記複数の第３スイッチング素子を全て短絡状態に制御し、前記第１インバーターのロアスイッチング素子－前記第１インバーターのロアスイッチング素子は、前記第１インバーターに含まれているスイッチング素子のうち、前記直流端の低電位端に接続されたスイッチング素子－をパルス幅変調制御して前記直流充電電圧を昇圧することができる。

【0022】

例えば、前記直流充電電圧が前記バッテリーの電圧に一致する場合、前記コントローラは、前記充電モードにおいて、前記複数の第３スイッチング素子を全て短絡状態に制御し、前記第２インバーターのアッパースイッチング素子－前記第２インバーターのアッパースイッチング素子は、前記第２インバーターに含まれているスイッチング素子のうち、前記直流端の高電位端に接続されたスイッチング素子－を介して、充電電流が前記バッテリーへ伝達されるように制御することができる。

【発明の効果】

【0023】

前記モーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システムによれば、モーターのオープンエンドワインディング駆動のために備えられるモーター駆動システムを活用して、外部充電器で提供される充電電圧の大きさに応じて適切に充電電圧の大きさを変換してバッテリーの充電が可能となる。

【0024】

これにより、前記モーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システムは、車両バッテリーの高電圧化に伴い、追加的に高電圧の充電設備のための追加のインフラストラクチャを構築する必要をなくして、インフラストラクチャの構築による社会的費用の発生を防止することができる。

【0025】

また、前記モーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システムは、高効率のオープンエンドワインディング方式のモーター駆動と共に、様々な外部充電電圧に対応したバッテリー充電を可能にすることができる。

【0026】

また、前記モーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システムは、半導体スイッチング素子を介して、モーター巻線の中性点と充電用キャパシタとを接続するか否かを制御するので、リレーの場合に比べて発熱、冷却、耐衝撃、焼損の面で優れる。

【0027】

本発明で得られる効果は、上述した効果に限定されず、上述していない別の効果は、以降の記載から本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解できるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】本発明の一実施形態によるモーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システムの回路図である。

【図2】本発明の一実施形態によるモーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システムの動作状態を示す図である。

【図3】本発明の一実施形態によるモーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システムの動作状態を示す図である。

【図4】本発明の一実施形態の他の態様によるモーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システムの回路図である。

【図5】本発明の一実施形態によるモーター駆動システムの制御過程の一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下、添付図面を参照して、本発明の様々な実施形態によるモーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システムについて詳細に説明する。

【0030】

図１は、本発明の一実施形態によるモーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システムの回路図である。

【0031】

図１を参照すると、本発明の一実施形態によるモーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システムは、複数の相に対応する複数の巻線Ｌ１～Ｌ３を有するモーター１００へ駆動電力を供給するモーター駆動システムを用いた充電システムである。

【0032】

まず、モーター駆動システムは、複数の第１スイッチング素子Ｓ１１～Ｓ１６を含み、モーター１００の巻線それぞれの一端に接続された第１インバーター１０と、複数の第２スイッチング素子Ｓ２１～Ｓ２６とを含み、モーター１００の巻線それぞれの他端に接続された第２インバーター２０と、モーター１００の巻線それぞれの他端に一端が接続され、他端が互いに短絡した複数の第３スイッチング素子Ｓ３１～Ｓ３３と、を含むことができる。

【0033】

第１インバーター１０は、バッテリー２００の正端子と負端子との間に形成される直流電圧が印加される直流端と、モーター１００の各巻線Ｌ１～Ｌ３に接続される交流端とを有することができる。第１インバーター１０がバッテリー２００の正端子又は負端子に接続される２つのノードが直流端になることができ、第１インバーター１０がモーター１００の各巻線の一端に接続される３つのノートが交流端になることができる。

【0034】

これと同様に、第２インバーター２０は、第１インバーター１０の直流端に選択的に接続される直流端と、モーター１００の各巻線Ｌ１～Ｌ３に接続される交流端とを有することができる。第２インバーター２０が第１インバーター１０の直流端と選択的に接続される１つのノードを含む２つのノードが直流端になることができ、第２インバーター２０がモーター１００の各巻線の他端に接続される３つのノートが交流端になることができる
モーターで車両を駆動させるための動力を生成するモーター駆動モードで、第１インバーター１０と第２インバーター２０は、バッテリー２００に共通に直流端が接続され、バッテリー２００に蓄積された直流電力を三相の交流電力に変換してモーター１００へ提供するか、或いは回生制動の際にモーター１００の回生制動トルクの発生により生成される回生制動エネルギーを直流に変換してバッテリー２００へ提供することができる。このような直流電力と交流電力との変換は、第１インバーター１０と第２インバーター２０にそれぞれ設けられた複数の第１スイッチング素子Ｓ１１～Ｓ１６及び複数の第２スイッチング素子Ｓ２１～Ｓ２６のパルス幅変調制御によって行われることができる。

【0035】

第１インバーター１０は、直流端に形成された直流電圧が印加される複数のレッグ１１～１３を含むことができる。各レッグ１１～１３は、モーター１００の複数の相にそれぞれ対応して電気的接続が形成されることができる。

【0036】

さらに具体的には、第１レッグ１１は、直流端を形成する２つのノードの間に相互直列に接続された２つのスイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１２を含み、２つのスイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１２の接続ノードは、モーター１００の複数の相のうち、１つの相に該当する交流電力が入出力されるように、モーター１００内の１相の巻線Ｌ１の一端に接続されることができる。

【0037】

同様に、第２レッグ１２は、直流端を形成する２つのノードの間に相互直列に接続された２つのスイッチング素子Ｓ１３、Ｓ１４を含み、２つのスイッチング素子Ｓ１３、Ｓ１４の接続ノードは、モーター１００の複数の相のうち、１つの相に該当する交流電力が入出力されるようにモーター１００内の１相の巻線Ｌ２の一端に接続されることができる。

【0038】

また、第３レッグ１３は、直流端を形成する２つのノードの間に相互直列に接続された２つのスイッチング素子Ｓ１５、Ｓ１６を含み、２つのスイッチング素子Ｓ１５、Ｓ１６の接続ノードは、モーター１００の複数の相のうち、１つの相に該当する交流電力が入出力されるようにモーター１００内の１相の巻線Ｌ３の一端に接続されることができる。

【0039】

第２インバーター２０も、第１インバーター１０と同様の構成を有することができる。第２インバーター２０は、バッテリー２００の２つの端子の間の直流電圧が印加される直流端の直流電圧が印加される複数のレッグ２１～２３を含むことができる。各レッグ２１～２３は、モーター１００の複数の相に対応して電気的接続が形成されることができる。

【0040】

より具体的には、第１レッグ２１は、直流端を形成する２つのノードの間に相互直列に接続された２つのスイッチング素子Ｓ２１、Ｓ２２を含み、２つのスイッチング素子Ｓ２１、Ｓ２２の接続ノードは、モーター１００の複数の相のうち、１つの相に該当する交流電力が入出力されるようにモーター１００内の１相の巻線Ｌ１の他端に接続されることができる。

【0041】

同様に、第２レッグ２２は、直流端を形成する２つのノードの間に相互直列に接続された２つのスイッチング素子Ｓ２３、Ｓ２４を含み、２つのスイッチング素子Ｓ２３、Ｓ２４の接続ノードは、モーター１００の複数の相のうち、１つの相に該当する交流電力が入出力されるようにモーター１００内の１相の巻線Ｌ２の他端に接続されることができる。

【0042】

また、第３レッグ２３は、直流端を形成する２つのノードの間に相互直列に接続された２つのスイッチング素子Ｓ２５、Ｓ２６を含み、２つのスイッチング素子Ｓ２５、Ｓ２６の接続ノードは、モーター１００の複数の相のうち、１つの相に該当する交流電力が入出力されるようにモーター１００内の１相の巻線Ｌ３の一端に接続されることができる。

【0043】

第１インバーター１０は、モーター１００の巻線Ｌ１～Ｌ３の一端に接続され、第２インバーター２０は、モーター１００の巻線Ｌ１～Ｌ３の他端に接続される。すなわち、モーター１００の巻線Ｌ１～Ｌ３の両端は、第１インバーター１０と第２インバーター２０にそれぞれ接続されるオープンエンドワインディング構造の電気的接続が形成されることができる。

【0044】

第１インバーター１０及び第２インバーター２０に含まれているスイッチング素子Ｓ１１～Ｓ１６、Ｓ２１～Ｓ２６は、モーター駆動のための通常のインバーター内に含まれるスイッチング素子であって、実際スイッチングが行われるＩＧＢＴ又はＦＥＴと、ＩＧＢＴ又はＦＥＴのソースとドレインとの間に逆方向に接続されたダイオードを含む概念として理解されるべきである。

【0045】

複数の第３スイッチング素子Ｓ３１～Ｓ３３がモーター１００の巻線Ｌ１～Ｌ３の他端（第２インバーターの交流端）に接続されることができる。第３スイッチング素子Ｓ３１～Ｓ３３は「切替スイッチ」と呼ぶこともある。複数の切替スイッチＳ３１～Ｓ３３は、一端がモーター１００の巻線Ｌ１～Ｌ３の一端に接続され、他端は互いに接続されて電気的短絡が形成されることができる。

【0046】

複数の切替スイッチＳ３１～Ｓ３３が開放される場合には、モーター１００の巻線Ｌ１～Ｌ３の両端は、それぞれ第１インバーター１０と第２インバーター２０に接続され、オープンエンドワインディング構造が形成されることができる。また、複数の切替スイッチＳ３１～Ｓ３３が短絡する場合には、モーター１００の巻線Ｌ１～Ｌ３の他端が相互電気的に短絡して、モーター１００の巻線Ｌ１～Ｌ３は、Ｙ結線を形成するクローズドエンドワインディング構造の電気的接続が形成されることができる。クローズエンドワインディング構造の電気的接続が形成された場合、第１インバーター１０のスイッチング素子Ｓ１１～Ｓ１６をパルス幅変調制御してモーター１００が駆動（すなわち、ＣＥＷ駆動モード）することができ、第２インバーター２０のスイッチング素子Ｓ２１～Ｓ２６はいずれも常に開放された状態を維持することができる。

【0047】

複数の切替スイッチＳ３１～Ｓ３３は、モーター駆動のための回路接続構造をオープンエンドワインディング構造とクローズドエンドワインディング構造との間で切り替える役割を果たすので、切替スイッチ部３０と呼ばれることもある。

【0048】

コントローラ４０は、モーター駆動モードでモーター１００に要求される要求出力に基づいてモーター１００が駆動できるように、第１インバーター１０及び第２インバーター２０に含まれているスイッチング素子Ｓ１１～Ｓ１６、Ｓ２１～Ｓ２１をパルス幅変調制御することができる。

【0049】

より具体的には、コントローラ４０は、モーター１００の要求出力に基づいてモーターの駆動に使用されるインバーターを決定し、それにより切替スイッチ部３０の複数の切替スイッチＳ３１～Ｓ３３のオン／オフ状態を決定し、駆動が決定されたコンバータのスイッチング素子をパルス幅変調制御することができる。

【0050】

例えば、モーター１００に要求される出力が所定の基準値よりも小さい場合、コントローラ４０は、切替スイッチ部３０の複数の切替スイッチＳ３１～Ｓ３３を全て短絡状態に設定し、第２インバーター２０を作動させることなく、第１インバーター１０のスイッチング素子Ｓ１１～Ｓ１６をパルス幅変調制御してモーター１００を駆動させることができる（すなわち、クローズドエンドワインディングモード）。

【0051】

クローズドエンドワインディング（ＣＥＷ）モードでのモーター駆動は、コントローラ４０が第１インバーター１０の直流端に印加される直流電圧、インバーター１０の交流端からモーター１００に提供される相電流、及びモーター１００に設置されたモーター回転子センサー（図示せず）によって検出されたモーター回転角などに基づいて、第１インバーター１０のスイッチング素子Ｓ１１～Ｓ１６をパルス幅変調制御することにより達成できる。インバーター内の複数のスイッチング素子をパルス幅変調制御してモーター１００を駆動するための様々な技法は、当技術分野における公知のものなので、インバーターのパルス幅変調制御技法については、さらなる詳細な説明を省略する。

【0052】

一方、モーター１００に要求される出力が所定の基準値よりも大きい場合、コントローラ１００は、切替スイッチ部３０の複数の切替スイッチＳ３１～Ｓ３３を全て開放状態に設定し、第１インバーター１０と第２インバーター２０の両方を作動させてモーター１００を駆動することができる（すなわち、オープンエンドワインディングモード）。オープンエンドワインディング（ＯＥＷ）モードで、モーター１００は、複数の巻線Ｌ１～Ｌ３の一端が互いに開放状態となり、その他端も互いに開放状態となり、巻線Ｌ１～Ｌ３の両端にそれぞれ接続された２つインバーター１０、２０をパルス幅変調制御して駆動できる。

【0053】

オープンエンドワインディングモードでのモーターの駆動は、コントローラ１００が第１インバーター１０及び第２インバーター２０の直流電圧とモーター１００の各相に該当する複数の巻線へそれぞれ提供される相電流、及びモーター１００に設置されたモーター回転子センサー（図示せず）で検出されたモーター角などの入力を受け、第１インバーター１０の第１スイッチング素子Ｓ１１～Ｓ１６及び第２インバーター２０の第２スイッチング素子Ｓ２１～Ｓ２６を一緒にパルス幅変調制御することにより達成できる。

【0054】

オープンエンドワインディングモードでの巻線の両端に接続された２つのインバーターをパルス幅変調制御してモーターを駆動するための様々な技法は、当技術分野における公知のものなので、さらなる詳細な説明は省略する。

【0055】

バッテリーを充電する充電モードで、コントローラ４０は、複数の切替スイッチＳ３１～Ｓ３３の他端とバッテリー２００の負端子との間に直流充電電圧が印加されるようにし、直流充電電圧の大きさに基づいて流充電電圧の大きさを変換してバッテリーに提供されるように、第１インバーター１０及び第２インバーター２０に含まれているスイッチング素子Ｓ１１～Ｓ１６、Ｓ２１～Ｓ２６、スイッチＳ３１～Ｓ３３及び第４スイッチング素子Ｓ４を制御することができる。

【0056】

外部充電器３００から提供される直流電力は、切替スイッチ部３０の複数の切替スイッチＳ３１～Ｓ３３が相互接続されたノードと、バッテリー２００の負端子に接続されたノードとの間に印加されることができる。すなわち、外部充電器３００から提供される充電電圧が、複数の切替スイッチＳ３１～Ｓ３３が相互接続されたノードとバッテリー２００の負端子に接続されたノードとの間に印加されることができる。

【0057】

外部充電器３００とモーター駆動システムとの電気的接続を形成／遮断するために、本発明の一実施形態は、充電電力印加スイッチＲ１、Ｒ２と第４スイッチング素子Ｓ４をさらに含むことができる。

【0058】

車両は、外部充電器３００が接続される充電インレットを備えることができ、充電の際に、充電インレットは、外部充電器３００の充電アウトレットに締結されることができる。外部充電器３００の充電アウトレットは、充電電圧を形成する高電位端子（正端子）と低電位端子（負端子）を有し、これらの端子は、充電インレットの高電位端子及び低電位端子とそれぞれ接続されることができる。第１充電電力印加スイッチＲ１は、充電インレットの高電位端子と複数の切替スイッチＳ３１～Ｓ３３が相互接続されたノードとの間に接続されることができ、第２充電電力印加スイッチＲ２は、充電インレットの低電位端子とバッテリー２００の負端子との間に接続されることができる。

【0059】

切替スイッチ部３０の他端とバッテリーの負端子との間には、充電用キャパシタＣが接続されることができる。また、充電用キャパシタＣと直列に第４スイッチング素子Ｓ４が接続されることができる。すなわち、充電用キャパシタＣの一端は、切替スイッチ部３０と第１充電電力印加スイッチが相互接続されたノードとの間に接続され、充電用キャパシタＣの他端は、バッテリー２００の負端子が接続されたノードに接続されることができる。

【0060】

このように、第４スイッチング素子Ｓ４が充電用キャパシタＣと直列に接続されることにより、大電流（数百Ａ）の充電電流が導通する経路上にリレーを用いる場合とは異なり、大電流の導通を想定した性能が確保されなくてもよい。したがって、大電流に備えるためのサイズ増加や材料費の上昇なしにも、半導体タイプのスイッチング素子でも効果的に充電用キャパシタＣと中性端Ｎとの接続制御が可能となる。例えば、大電流の導通が可能なリレーに比べて相対的にサイズが小さく且つ安価なＦＥＴが第４スイッチング素子Ｓ４に適用されることができる。このような場合、材料費低減だけでなく、インバーターモジュールの全体的なサイズも減少するので、出力密度向上効果まで得ることができる。さらに、リレー用ＦＥＴをＰＣＢ設計によってインバーターボード内に実装することにより、別途の追加空間なしにも実現が可能であり、ＦＥＴのＰｉｎがボードにはんだ付けされて車両駆動の際に振動による信頼性悪化の欠点も補うことができる。さらに、ＦＥＴの位置をハウジング冷却範囲内に設計することにより、インバーターボードの冷却のための冷却水循環の際にＦＥＴも一緒に冷却させることができるという効果がある。但し、ＦＥＴは、第４スイッチング素子Ｓ４の一実施形態であって、必ずしもこれに限定されるものではなく、様々な半導体タイプのスイッチング素子が適用できることは当業者に自明である。

【0061】

したがって、外部充電器３００が車両に接続されて充電を行う場合、コントローラ４０が切替スイッチ部３０と第４スイッチング素子Ｓ４をオンにすると、切替スイッチ部３０の他端でモーター巻線Ｃ１～Ｃ３の中性端Ｎが形成され、充電用キャパシタＣは中性端Ｎに接続されることができる。充電用キャパシタＣが中性端Ｎに接続されると、外部充電器３００の入力電圧リップルを低減し、安定的に電圧を維持することができる。

【0062】

ただし、充電用キャパシタＣは、モーター１００の駆動時にインバーター１０、２０の正常作動のために中性端Ｎとは電気的に分離される必要がある。したがって、モーター１００の駆動時には、コントローラ４０が第４スイッチング素子Ｓ４をオフにすると、充電用キャパシタＣの（－）端とグランドが分離されるので、充電用キャパシタＣがモーター１００の中性端Ｎと電気的に分離されることができる。

【0063】

一方、コントローラ４０は、モーター駆動モードで第１充電電力印加スイッチＲ１及び第２充電電力印加スイッチＲ２を常に開放状態となるように制御することができる。また、コントローラ４０は、バッテリー充電モードで第１充電電力印加スイッチＲ１及び第２充電電力印加スイッチＲ２を常に短絡状態となるように制御することができる。

【0064】

第１充電電力印加スイッチＲ１及び第２充電電力印加スイッチＲ２は、当技術分野における公知の様々なスイッチング手段が適用できるが、第１充電電力印加スイッチＲ１及び第２充電電力印加スイッチＲ２は、モード切替又は昇圧／降圧決定の際に開放／短絡状態が決定され、決定された状態をモードが持続される間に維持する用途で使用されるので、高速スイッチングが要求されない。したがって、第１充電電力印加スイッチＲ１と第２充電電力印加スイッチＲ２は、リレーで実現されることが好ましい。

【0065】

ここで、第１充電電力印加スイッチＲ１及び第２充電電力印加スイッチＲ２は、回路内の電気的接続関係を形成するためのジャンクションボックス４００の形態で実現されることができる。例えば、ジャンクションボックス４００は、バッテリー２００の高電圧端子及び低電圧端子とインバーターの直流端の２端子との間に電気的接続を形成するための結線、第１充電電力印加スイッチＲ１及び第２充電電力印加スイッチＲ２と外部充電器との結線、並びに、第１充電電力印加スイッチＲ１及び第２充電電力印加スイッチＲ２と切替スイッチ部３０及びインバーター１０、２０の直流端との結線などを含むハードウェアの形態で実現されることができる。

【0066】

図２及び図３は、本発明の一実施形態によるモーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システムの動作状態を示す図である。

【0067】

まず、図２は、充電モードで外部充電器３００から供給される充電電圧が車両内のバッテリー２００の電圧（例えば、８００Ｖ）よりも低い場合（例えば、４００Ｖ）の一例を示す。

【0068】

図２に示すように、コントローラ４０は、充電モードで充電電力印加スイッチＲ１、Ｒ２を全て短絡状態に制御し、切替スイッチ部３０のスイッチＳ３１、Ｓ３２、Ｓ３３が短絡状態を維持するように制御することができる。また、コントローラ４０は、第２インバーター２０のスイッチング素子Ｓ２１～Ｓ２６を、全て開放状態を維持するように制御することができる。

【0069】

それにより、モーター１００の巻線Ｌ１－Ｌ３、巻線Ｌ１－Ｌ３の一端に接続された第１インバーター１０のアッパースイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１３、Ｓ１５のダイオード、及び第１インバーター１０のロアスイッチング素子Ｓ１２、Ｓ１４、Ｓ１６は、外部充電器３００からバッテリー２００に向かう方向に電圧を昇圧させることができるブーストコンバータのトポロジを形成することができる。このようなブーストコンバータのトポロジを用いて、外部充電器３００から提供される充電電圧を昇圧させてバッテリー２００へ提供してバッテリー２００の充電が行われるようにすることができる。

【0070】

この場合、第２インバーター２０の直流端の電圧は、外部充電器３００から提供される電圧よりも大きいため、第２インバーター２０のアッパースイッチング素子Ｓ２１、Ｓ２３、Ｓ２５の逆方向ダイオードによって、第２インバーター２０へ流れる電流は遮断されることができる。

【0071】

ここで、アッパースイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１３、Ｓ１５は、インバーター内のレッグに含まれている２つのスイッチング素子のうち、直流端の高電位端子に接続されたスイッチング素子を意味し、ロアスイッチング素子は、直流端の低電位端子に接続されたスイッチング素子を意味する。

【0072】

また、図２では、切替用スイッチ部３０のスイッチＳ３１～Ｓ３３が全て短絡状態を維持させた後に昇圧する例を示すが、コントローラ４０は、切替用スイッチ部３０のスイッチＳ３１～Ｓ３３の一部のみを選択的に短絡状態となるようにした後、短絡状態を維持するスイッチに接続されたロアスイッチング素子をパルス幅変調制御して昇圧が行われるようにすることもできる。

【0073】

昇圧の際に、モーターの各相に対応する切替用スイッチ部３０のスイッチＳ３１～Ｓ３３が全て短絡状態を維持するようにし、第１インバーター１０のロアスイッチＳ１２、Ｓ１４、Ｓ１６を全てスイッチングして昇圧する場合、コントローラ４０の各相に対応する昇圧コンバータをインターリーブド（Ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ）方式で制御することもできる。

【0074】

コイル（インダクター）、ダイオード及びスイッチで構成されてスイッチのパルス幅変調制御によって電圧の大きさを上昇させる昇圧コンバータ、及び複数の昇圧コンバータを用いたインターリーブド制御技法は、当技術分野における公知のものであるので、これについての追加説明は省略する。

【0075】

次に、図３は、充電モードで外部充電器３００から供給される充電電圧が車両内バッテリー２００の電圧（例えば、８００Ｖ）に一致する場合（例えば、８００Ｖ）の例を示す。このような場合、充電電圧の昇圧や降圧が不要であり、充電電流が直ちにバッテリー２００に供給されることでバッテリー２００の充電が可能である。

【0076】

図３に示すように、コントローラ４０は、充電モードで充電電力印加スイッチＲ１、Ｒ２を全て短絡状態に制御し、切替スイッチ部３０のスイッチＳ３１、Ｓ３２、Ｓ３３が短絡状態を維持するように制御することができる。また、コントローラ４０は、第１インバーター１０のスイッチング素子Ｓ１１～Ｓ１６を全て開放状態に維持するように制御することができる。

【0077】

それにより、充電電流は、第２インバーター２０のアッパースイッチＳ２１、Ｓ２３、Ｓ２５を介してバッテリー２００へ伝達されることができる。

【0078】

図４は、本発明の一実施形態の他の態様によるモーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システムの回路図である。

【0079】

図４に示されているモーター駆動システムは、図１に示されているモーター駆動システムと比較して、切替スイッチ部３０の他端とバッテリーの負端子との間で相互直列接続された充電用キャパシタＣ’と第４スイッチング素子Ｓ４’の接続順序が変更された。このような変更によっても、同様にバッテリー充電とモーター駆動如何に応じて充電用キャパシタＣ’と中性端Ｎとを電気的に接続するか否かが第４スイッチング素子Ｓ４’の制御によって決定されることができるので、インバーターハウジング（図示せず）の設計に基づいて適切な素子配置が可能である。

【0080】

図５は、本発明の一実施形態によるモーター駆動システムの制御過程の一例を示すフローチャートである。

【0081】

図５を参照すると、まず、コントローラ４０は、車両の現在状態がモーター駆動モードであるか急速充電モードであるかを判断することができる（Ｓ５１０）。

【0082】

車両が現在モーター駆動モードである場合、コントローラ４０は、第４スイッチング素子Ｓ４をオフにして、モーター巻線Ｃ１～Ｃ３の中性端Ｎを充電用キャパシタＣとは電気的に分離させる（Ｓ５２０Ａ）。

【0083】

また、コントローラ４０は、モーター１００の要求出力に応じてＣＥＷ駆動モード又はＯＥＷ駆動モードを決定して、決定された駆動モードに応じてモーター駆動のための電圧及び電流指令を生成することができる（Ｓ５３０）。

【0084】

電圧及び電流指令に基づいて、コントローラ４０は、第１～第３スイッチング素子を制御してモーターを駆動することができる（Ｓ５４０）。

【0085】

一方、車両が現在バッテリー充電モードである場合、コントローラ４０は、第４スイッチング素子Ｓ４をオンにして、モーター巻線Ｃ１～Ｃ３の中性端Ｎを充電用キャパシタＣと電気的に接続させる（Ｓ５２０Ｂ）。

【0086】

コントローラ４０は、充電器接続認識を介して充電電圧を判断し（Ｓ５５０）、判断された充電電圧に応じて、図２又は図３を参照して前述したように第１スイッチング素子～第３スイッチング素子を制御して、昇圧を経て充電電流がバッテリーへ伝達されるようにするか、或いは充電電流が直ちにバッテリーへ伝達されるようにすることができる（Ｓ５６０）。

【0087】

以上説明したように、本発明の様々な実施形態に係るモーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システムは、モーターのオープンエンドワインディング駆動のために備えられるモーター駆動システムを利用して、外部充電器から提供される充電電圧の大きさに応じて適切に充電電圧の大きさを変換してバッテリーの充電を可能にする。

【0088】

したがって、本発明の様々な実施形態によるモーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システムは、車両バッテリーの高電圧化に伴って追加的に高電圧の充電設備のための追加のインフラストラクチャを構築する必要をなくして、インフラストラクチャの構築による社会的費用の発生を防止することができる。

【0089】

また、本発明の様々な実施形態によるモーター駆動システムを用いた車両用バッテリー充電システムは、高効率のオープンエンドワインディング方式のモーター駆動とともに、様々な外部充電電圧に対応したバッテリー充電を可能にすることができる。

【0090】

さらに、第４スイッチング素子に充電電流が直接導通しないため、第４スイッチング素子を半導体タイプのスイッチング素子で実現することができるので、インバーターモジュールの小型化が可能であり、第４スイッチング素子の冷却も容易になる。

【0091】

以上、本発明の特定の実施形態に関連して図示及び説明したが、請求の範囲の限度内で、本発明に多様な改良及び変更を加え得ることは、当技術分野における通常の知識を有する者にとって自明であろう。

【符号の説明】

【0092】

１０ 第１インバーター
１１～１３ レッグ
２０ 第２インバーター
２１～２３ レッグ
３０ 切替スイッチ部
４０ コントローラ
１００ モーター
２００ バッテリー
３００ 外部充電器
４００ ジャンクションボックス
Ｓ１１～Ｓ１６ 第１スイッチング素子
Ｓ２１～Ｓ２６ 第２スイッチング素子
Ｓ３１～Ｓ３３ 第３スイッチング素子
Ｓ４ 第４スイッチング素子
Ｌ１～Ｌ３ モーター巻線
Ｒ１、Ｒ２ スイッチング手段（リレー）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】