知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(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】P2024115453
(43)【公開日】2024-08-26
(54)【発明の名称】車載充電装置
(51)【国際特許分類】
B60L 53/24 20190101AFI20240819BHJP
H02P 27/06 20060101ALI20240819BHJP
B60L 9/18 20060101ALI20240819BHJP
B60L 50/60 20190101ALI20240819BHJP
B60L 53/14 20190101ALI20240819BHJP
B60L 58/10 20190101ALI20240819BHJP
H02J 7/00 20060101ALI20240819BHJP
H02M 3/155 20060101ALI20240819BHJP
H02M 7/48 20070101ALI20240819BHJP
【ＦＩ】
B60L53/24
H02P27/06
B60L9/18 J
B60L50/60
B60L53/14
B60L58/10
H02J7/00 P
H02M3/155 U
H02M7/48 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023021160
(22)【出願日】2023-02-14
(71)【出願人】
【識別番号】000000011
【氏名又は名称】株式会社アイシン
(74)【代理人】
【識別番号】110001818
【氏名又は名称】弁理士法人Ｒ＆Ｃ
(72)【発明者】
【氏名】サハ スブラタ
(72)【発明者】
【氏名】高橋 充
(72)【発明者】
【氏名】平野 智也
(72)【発明者】
【氏名】田口 真
【テーマコード（参考）】
5G503
5H125
5H505
5H730
5H770
【Ｆターム（参考）】
5G503AA01
5G503BB02
5G503CC02
5G503DA07
5G503FA06
5G503GB03
5G503GB06
5H125AA01
5H125AC12
5H125AC24
5H125BA00
5H125BB00
5H125BB05
5H125BC05
5H125BC21
5H125DD01
5H125DD02
5H125EE02
5H125EE07
5H125FF16
5H505AA16
5H505CC04
5H505CC05
5H505CC09
5H505DD03
5H505DD08
5H505EE41
5H505EE48
5H505EE49
5H505GG04
5H505HA05
5H505HA06
5H505HA09
5H505HA10
5H505HB01
5H505JJ03
5H505LL01
5H505LL22
5H505LL24
5H505LL41
5H505LL58
5H730AS04
5H730AS05
5H730AS08
5H730AS13
5H730AS17
5H730BB13
5H730BB14
5H730BB57
5H730CC01
5H730DD04
5H730FD11
5H770BA01
5H770BA20
5H770CA01
5H770DA02
5H770DA10
5H770DA41
5H770HA03Z
(57)【要約】
【課題】回転電機のコイル及び回転電機を駆動するインバータを利用し、外部交流電源により直流電源を充電する車載充電装置をシステムコストの増加を抑制して構成する。
【解決手段】車載充電装置１０は、インバータ５と複数相のコイル７とにより構成され、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と、直流直流コンバータ２と、制御装置とを備える。複数相のコイル７の内の１相である対象コイルに対して直列に外部交流電源４が接続され、制御装置は、対象相を除く各コイル７に流れる電流の和と対象コイルに流れる電流との和がゼロとなると共に、回転電機のロータにトルクが生じないように、ロータの回転位置に応じて、インバータ５を駆動して対象コイルを除く各コイル７に流れる電流を可変制御する。
【選択図】図３
【解決手段】車載充電装置１０は、インバータ５と複数相のコイル７とにより構成され、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と、直流直流コンバータ２と、制御装置とを備える。複数相のコイル７の内の１相である対象コイルに対して直列に外部交流電源４が接続され、制御装置は、対象相を除く各コイル７に流れる電流の和と対象コイルに流れる電流との和がゼロとなると共に、回転電機のロータにトルクが生じないように、ロータの回転位置に応じて、インバータ５を駆動して対象コイルを除く各コイル７に流れる電流を可変制御する。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
中性点で互いに接続された複数相のコイルを備え、車輪の駆動力源となる回転電機と、直流と複数相の交流との間で電力を変換するインバータと、前記インバータに接続された直流電源と、を備えた車両用駆動装置の前記直流電源を、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、
前記複数相の前記コイルの内の１相である対象相の前記コイルである対象コイルに対して直列に前記外部交流電源が接続され、
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、前記対象コイルを除く各相の前記コイルに流れる電流の和と前記対象コイルに流れる電流との和がゼロとなると共に、前記回転電機のロータにトルクが生じないように、前記ロータの回転位置に応じて、前記インバータを駆動して前記対象コイルを除く各相の前記コイルに流れる電流を可変制御する、車載充電装置。
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、
前記複数相の前記コイルの内の１相である対象相の前記コイルである対象コイルに対して直列に前記外部交流電源が接続され、
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、前記対象コイルを除く各相の前記コイルに流れる電流の和と前記対象コイルに流れる電流との和がゼロとなると共に、前記回転電機のロータにトルクが生じないように、前記ロータの回転位置に応じて、前記インバータを駆動して前記対象コイルを除く各相の前記コイルに流れる電流を可変制御する、車載充電装置。
【請求項2】
前記対象相は、停止状態の前記ロータの回転位置に基づいて設定されている、請求項１に記載の車載充電装置。
【請求項3】
前記対象相に対応する前記インバータのアームを対象アームとし、
前記制御装置の制御により、前記対象コイルと前記対象アームの中点とを接続する第１状態と、前記対象コイルと前記対象アームの中点との間に前記外部交流電源を直列に接続する第２状態との間で、選択的に接続状態を変更する交流電源接続コンタクタを備える、請求項１又は２に記載の車載充電装置。
前記制御装置の制御により、前記対象コイルと前記対象アームの中点とを接続する第１状態と、前記対象コイルと前記対象アームの中点との間に前記外部交流電源を直列に接続する第２状態との間で、選択的に接続状態を変更する交流電源接続コンタクタを備える、請求項１又は２に記載の車載充電装置。
【請求項4】
複数の前記コイルに対して、それぞれ前記交流電源接続コンタクタが備えられ、
前記制御装置は、
停止状態の前記ロータの回転位置に基づいて、複数の前記コイルの内の１つを前記対象コイルに設定すると共に、
前記対象コイルに備えられた前記交流電源接続コンタクタを対象コンタクタに設定し、
前記対象コンタクタを介して、前記対象コイルと前記対象アームの中点との間に前記外部交流電源を直列に接続すると共に、
前記対象コンタクタを除く前記交流電源接続コンタクタを介して、前記対象コイルを除く各相の前記コイルと前記対象アームを除く各相の前記アームの中点とをそれぞれ接続する、請求項３に記載の車載充電装置。
前記制御装置は、
停止状態の前記ロータの回転位置に基づいて、複数の前記コイルの内の１つを前記対象コイルに設定すると共に、
前記対象コイルに備えられた前記交流電源接続コンタクタを対象コンタクタに設定し、
前記対象コンタクタを介して、前記対象コイルと前記対象アームの中点との間に前記外部交流電源を直列に接続すると共に、
前記対象コンタクタを除く前記交流電源接続コンタクタを介して、前記対象コイルを除く各相の前記コイルと前記対象アームを除く各相の前記アームの中点とをそれぞれ接続する、請求項３に記載の車載充電装置。
【請求項5】
前記直流電源に対して前記交流直流コ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直流電源接続コンタクタと、
前記交流直流コンバータの直流側端子に対して、前記直流電源と前記直流直流コンバータの前記第１端子とを選択的に接続するコンバータ接続コンタクタと、を備える、請求項１に記載の車載充電装置。
前記交流直流コンバータの直流側端子に対して、前記直流電源と前記直流直流コンバータの前記第１端子とを選択的に接続するコンバータ接続コンタクタと、を備える、請求項１に記載の車載充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、車載充電装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特表２０２２－５０３７１３号には、電気自動車やハイブリッド自動車などの車輪の駆動力源として回転電機を備えた車両に搭載された直流電源を、車両に搭載された状態で充電する車載充電装置（オンボードチャージャー、Onboard charger）が開示されている（背景技術において括弧内の符号は参照する文献のもの。）。この文献の図３には、単相の外部交流電源（３１０）がＹ字接続された３相のコイルの中性点に接続され、当該３相のコイルのそれぞれにインバータ（２２０）の交流側のそれぞれのアームが接続され、インバータ（２２０）の直流側端子に直流直流コンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）の入力側端子が接続され、直流直流コンバータの出力側端子に直流電源が接続された車載充電装置が例示されている。３相のコイル及びインバータ（２２０）は、外部交流電源（３１０）からの正弦波のグリッド電流を直流に変換する交流直流コンバータ（ＡＣ／ＤＣコンバータ）を形成している。インバータ（２２０）がスイッチング制御されることにより、この交流直流コンバータは交流電力から変換される直流電力の力率を改善する力率改善（ＰＦＣ：power factor correction）回路としても機能する。交流直流変換後の電流には、外部交流電源（３１０）の周波数（系統周波数）の２倍の周波数のリップルが生じる。直流直流コンバータは、このリップルを低減して直流電源を充電するためのバッテリ電流を生成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特表２０２２－５０３７１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ここで、例えば電気自動車やハイブリッド自動車における車載充電装置では、３相のコイルとして、当該車両における駆動力源の回転電機のステータに備えられたコイル（ステータコイル）を用いることができる。しかし、このような回転電機は、高電力密度となるように設計されており、インダクタンスが小さい。また、上記文献の図３にも例示されているように、中性点に単相の外部交流電源が接続されて交流直流コンバータが形成された場合、３相のコイルには、電流が流れる。その結果、磁気飽和等により、コイルにおけるインダクタンスが小さくなることもある。このように、交流直流コンバータのインダクタンスが小さいと、交流直流変換の際に、外部交流電源の系統電流の高調波電流のピーク値が大きくなる傾向がある。
【0005】
これを抑制するための１つの方法として、交流直流コンバータを構成するインバータの制御周波数を高くすることが考えられる。或いは、直流直流コンバータの側でリップルを軽減するべく、直流直流コンバータの制御周波数を高くことが考えられる。但し、制御周波数を高くする場合には、インバータや直流直流コンバータを制御する制御装置の制御周期（動作周波数）も短くする必要がある。また、早い制御周期に伴う高い周波数でのスイッチングは、インバータ及び直流直流コンバータが備えるスイッチング素子における損失を増大させ、車載充電装置の効率の低下に繋がる。また、制御装置として、高速動作が可能なマイクロコンピュータ等を用いる必要が生じ、車載充電装置のコストの上昇に繋がる。あるいは別の方法として、外部交流電源と複数相のコイルの中性点との間に、インダクタを追加することも考えられる。しかし、この場合も、インダクタの追加により車載充電装置のコストが上昇する。
【0006】
上記に鑑みて、回転電機とインバータと直流電源とを備えた車両用駆動装置の当該直流電源を、当該回転電機のコイル及び当該インバータを利用して、外部交流電源からの電力により充電する車載充電装置を、システムコストの増加を抑制して構成することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記に鑑みた車載充電装置は、中性点で互いに接続された複数相のコイルを備え、車輪の駆動力源となる回転電機と、直流と複数相の交流との間で電力を変換するインバータと、前記インバータに接続された直流電源と、を備えた車両用駆動装置の前記直流電源を、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、前記複数相の前記コイルの内の１相である対象相の前記コイルである対象コイルに対して直列に前記外部交流電源が接続され、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、前記対象コイルを除く各相の前記コイルに流れる電流の和と前記対象コイルに流れる電流との和がゼロとなると共に、前記回転電機のロータにトルクが生じないように、前記ロータの回転位置に応じて、前記インバータを駆動して前記対象コイルを除く各相の前記コイルに流れる電流を可変制御する。
【0008】
例えば複数相のコイルの中性点に外部交流電源を接続した場合、複数相のそれぞれのコイルには、同じ向きに概ね同じ大きさの電流が流れる。その結果、磁気飽和等により、コイルにおけるインダクタンスが小さくなり、交流直流変換の際に、外部交流電源の系統電流の高調波電流や、直流電流のリップル成分のピーク値が大きくなる。しかし、本構成のように、複数相のコイルに流れる電流を異ならせることにより、コイルにおけるインダクタンスを確保し易く、前述したような問題が生じにくい。但し、複数のコイルに流れる電流の向きや大きさが異なる場合、回転電機のロータにトルクが生じる可能性がある。コイルやインバータなど車両用駆動装置の一部を用いた直流電源の充電は、車両が停止している状態で行われるため、ロータにトルクが生じることは好ましくない。本構成によれば、ロータの回転位置に応じて、外部交流電源が接続される対象相を除く各相のコイルに流れる電流が可変制御されるため、ロータに生じるトルクを抑制して適切に直流電源を充電することができる。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充電する車載充電装置を、システムコストの増加を抑制して構成することができる。
【0009】
車載充電装置のさらなる特徴と利点は、図面を参照して説明する例示的且つ非限定的な実施形態についての以下の記載から明確となる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】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
【図2】車載充電装置のシステム構成の模式的ブロック図
【図3】回転電機の駆動制御システムを利用した車載充電装置の第１の例を示す回路ブロック図
【図4】各相のコイルを流れる電流及びｄ軸電流と電気角との関係を示す波形図
【図5】ロータの永久磁石とステータのコイルとの関係を模式的に示す図
【図6】回転電機の駆動制御システムを利用した車載充電装置の第２の例を示す回路ブロック図
【図7】回転電機の駆動制御システムを利用した比較例の充電装置の例を示す回路ブロック図
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、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（ＩＮＶ）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。
【0012】
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。下記の説明において参照する図５に示すように、駆動対象の回転電機７０は、ステータコア７２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７１と、ロータコア７４に永久磁石７５が配置されたロータ７３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。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５、図６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。
【0013】
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６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。図３及び図６に示すように、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５ｕ、Ｖ相アーム５ｖ、Ｗ相アーム５ｗ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５ｕの中点とＵ相コイル７ｕとが接続され、Ｖ相アーム５ｖの中点とＶ相コイル７ｖとが接続され、Ｗ相アーム５ｗの中点とＷ相コイル７ｗとが接続されている。
【0014】
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）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６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）を平滑する平滑コンデンサとしても機能する。
【0015】
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）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）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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
インバータ５は、直流の正極と負極との間にスイッチング素子５Ｓが直列接続されたアームを、複数相のコイル７の数に応じて複数本備えて構成されている。本実施形態では、コイル７がＵ相コイル７ｕ、Ｖ相コイル７ｖ、Ｗ相コイル７ｗの３相のコイルで構成されており、インバータ５もコイル７に対応して、Ｕ相アーム５ｕ、Ｖ相アーム５ｖ、Ｗ相アーム５ｗの３相のアームを備えて構成されている。各相のコイルは、一方側の端部である第１端が各相のアームにおける上段側（正極側）のスイッチング素子５Ｓと下段側（負極側）のスイッチング素子５Ｓとの接続点である各アームの中点に接続され、他方側の端部である第２端が中性点７Ｎにおいて短絡されている。つまり、Ｕ相コイル７ｕの第１端はＵ相アーム５ｕの中点に接続され、Ｖ相コイル７ｖの第１端はＶ相アーム５ｖの中点に接続され、Ｗ相コイル７ｗの第１端はＷ相アーム５ｗの中点に接続され、Ｕ相コイル７ｕの第２端とＶ相コイル７ｖの第２端とＷ相コイル７ｗの第２端とが中性点７Ｎにおいて互いに接続されている。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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６において符号１Ｓ、５Ｓ、２Ｓ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と同様に、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６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。
【0024】
例えば、これらのコンタクタ（１１，１２，１３）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。
【0025】
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）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。
【0026】
ところで、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。交流直流コンバータ１のスイッチング素子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。従って、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。
【0027】
また、交流直流コンバータ１は、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構成されていると好適です。具体的には、交流直流コンバータ１は、フルブリッジ回路を備えて構成されているとよい。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。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。
【0028】
一般的に、非絶縁型の交流直流コンバータや直流直流コンバータは、スイッチング素子やインダクタ（コイル）を備えて構成されることが知られている。図１を参照して上述したように、車両用駆動装置９には、インバータ５や回転電機７０のコイル７が備えられている。また、外部交流電源４により直流電源３を充電する際には、車両は停車しており、回転電機７０は駆動されない。従って、インバータ５を交流直流コンバータ１や直流直流コンバータ２におけるスイッチングを備えた回路として利用し、コイル７をインダクタとして利用することによって、車載充電装置１０の搭載コストを低減することができる。また、制御装置８の制御対象に回転電機７０に加えて車載充電装置１０を加えることができ、システムの簡素化を図ることができる。つまり、本実施形態のように、回転電機７０の駆動系回路の一部を車載充電装置１０の一部として共用することによって、低コストで車載充電装置１０を構築することができる。
【0029】
本明細書では、そのような車載充電装置１０として、図３及び図６に示すような２つの構成を例示する。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６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の例及び図６に示す第２の例共に、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。バックコンバータである直流直流コンバータ２は、図３に示す第１の例と、図６に示す第２の例とで同一である。
【0030】
図３及び図６に示すように、本実施形態の車載充電装置１０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、後述するフロントエンドコンタクタ１１（交流電源接続コンタクタ）と、を備えて構成されている。詳細は後述するが、直流電源３を充電する際には、複数相のコイル７の内、対象相と称される何れか１相のコイル７である対象コイルに外部交流電源４が接続される。尚、対象コイルが接続されるインバータ５のアームを対象アームと称する。フロントエンドコンタクタ１１は、制御装置８の制御により、対象コイルと対象アームの中点とを接続する第１状態と、対象相のコイルと対象アームの中点との間に外部交流電源４を直列に接続する第２状態との間で、選択的に接続状態を変更する。従って、フロントエンドコンタクタ１１は、「交流電源接続コンタクタ」ということができる。
【0031】
フロントエンドコンタクタ１１は、対象コイルと対象アームの中点との間に、外部交流電源４を選択的に直列接続する。対象コイルと対象アームの中点との電気的接続を遮断して外部交流電源４を当該遮断部分に接続することになるため、フロントエンドコンタクタ１１は、外部交流電源４の側の配線経路を選択的に切り替えるための交流電源側コンタクタ１１Ａと、インバータ５の側（アームの側）の配線経路を選択的に切り替えるアーム側コンタクタ１１Ｂとを有している。構成が簡潔であるため、第２の例の図６を参照して説明すると、交流電源側コンタクタ１１Ａは、第１接点１１１と、第２接点１１２と、第３接点１１３とを備え、アーム側コンタクタ１１Ｂは、第４接点１１４と第５接点１１５とを備えている（ここでは符号“１１”のコンタクタに第１～第５の接点番号を付与している。他のコンタクタにつても同様。）。第１接点１１１は対象コイルに接続され、第２接点１１２及び第４接点１１４は共に対象アームの中点に接続され、第３接点１１３及び第５接点１１５は外部交流電源４の２つの入出力端子にそれぞれに接続されている。
【0032】
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、第１接点１１１と第２接点１１２とが接続されると共に、第３接点１１３、第４接点１１４、第５接点１１５とは開放される。これにより、対象コイルと対象アームの中点とが接続されると共に外部交流電源４は対象コイルから分離される。インバータ５が直流電源３を充電する車載充電装置１０に用いられる場合には、第１接点１１１と第３接点１１３とが接続されると共に、第４接点１１４と第５接点１１５とが接続され、第２接点１１２が開放される。これにより、対象コイルと対象アームの中点との電気的接続が遮断されると共に、対象コイルと対象アームの中点との間に外部交流電源４が直列に接続される。
【0033】
このように、交流電源接続コンタクタ（フロントエンドコンタクタ１１）により、外部交流電源４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。
【0034】
図３及び図６に示すように、本実施形態の車載充電装置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２Ｓ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は昇圧も可能な昇降圧型コンバータとして構成されていてもよい。
【0035】
【0036】
バッテリコンタクタ１２は、直流電源３に対して交流直流コンバータ１の直流側端子Ｔ１ｄ（即ちインバータ５の直流側端子である直流リンク端子）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り、「直流電源接続コンタクタ」ということができる。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１２１と、直流直流コンバータ２の第２端子Ｔ２２に接続されたバッテリコンタクタ第２接点１２２と、交流直流コンバータ１の直流側端子Ｔ１ｄ（インバータ５の直流側端子）に接続されたバッテリコンタクタ第３接点１２３とを備えている。バッテリコンタクタ第１接点１２１とバッテリコンタクタ第２接点１２２とが接続されると、直流直流コンバータ２の第２端子Ｔ２２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。この時、バッテリコンタクタ第３接点１２３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。
【0037】
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１２１とバッテリコンタクタ第３接点１２３とが接続され、インバータ５の直流側端子が、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。この時、バッテリコンタクタ第２接点１２２は開放されている。尚、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１２１に対して、バッテリコンタクタ第２接点１２２及びバッテリコンタクタ第３接点１２３の何れも接続されない状態とすることができる。
【0038】
バックエンドコンタクタ１３は、交流直流コンバータ１の直流側端子Ｔ１ｄ（インバータ５の直流側端子）に対して、直流電源３と直流直流コンバータ２の第１端子Ｔ２１とを選択的に接続するコンタクタである。つまり、バックエンドコンタクタ１３は、インバータ５（交流直流コンバータ１）に対して直流直流コンバータ２を選択的に接続するコンタクタであり、「コンバータ接続コンタクタ」ということができる。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１３１と、直流直流コンバータ２の第１端子Ｔ２１の正極に接続されたバックエンドコンタクタ第２接点１３２と、直流電源３の正極（バッテリコンタクタ第３接点１２３）に接続されたバックエンドコンタクタ第３接点１３３とを備えている。バックエンドコンタクタ第１接点１３１とバックエンドコンタクタ第２接点１３２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。
【0039】
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、上述したように、バッテリコンタクタ第１接点１２１とバッテリコンタクタ第３接点１２３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１３１とバックエンドコンタクタ第３接点１３３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。
【0040】
このように、直流電源接続コンタクタ（バッテリコンタクタ１２）及びコンバータ接続コンタクタ（バックエンドコンタクタ１３）を備えて、インバータ５と複数相のコイル７とにより構成された交流直流コンバータ１に対する直流電源３及び直流直流コンバータ２の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。
【0041】
図７は、本実施形態の車載充電装置１０の比較例の充電装置１０Ｘを示している。比較例の充電装置１０Ｘでも、交流直流コンバータ（比較用フロントエンドコンバータ１００）に、回転電機７０の駆動系回路が共用されている。比較用フロントエンドコンバータ１００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１０５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は中性点７Ｎで短絡され、中性点７Ｎと単相アーム１０５の中点との間に、インダクタＬ１（フロントエンドインダクタ）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１０５と共に、フルブリッジ回路を形成している。比較用バックエンドコンバータ２００は、図３及び図６に示す本実施形態のバックエンドコンバータと同様の構成である。
【0042】
比較例の充電装置１０Ｘのように、中性点７Ｎに単相の外部交流電源４が接続された場合、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。
【0043】
これを抑制するための１つの方法として、比較用フロントエンドコンバータ１００に含まれるインバータ５や比較用バックエンドコンバータ２００の制御周波数を高くことが考えられる。これらの制御周波数を高くする場合には、インバータ５や比較用バックエンドコンバータ２００を制御する制御装置８の制御周期（制御周波数）も短くする必要がある。高い周波数でのスイッチングは、比較用フロントエンドコンバータ１００（インバータ５）及び比較用バックエンドコンバータ２００が備えるスイッチング素子における損失を増大させ、充電装置１０Ｘの効率の低下に繋がる。また、制御装置８として、高速動作が可能なマイクロコンピュータ等を用いる必要が生じ、充電装置１０Ｘのコストの上昇に繋がる。この点に鑑み、比較例の充電装置１０Ｘ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。しかし、この場合も、インダクタＬ１の追加により充電装置１０Ｘのコストが上昇する。
【0044】
本実施形態の車載充電装置１０は、この点に鑑み、中性点７Ｎではなく、複数相のコイル７の内の１相である対象相のコイル７に対して直列に外部交流電源４が接続されている。例えば、図６に示す第２例の車載充電装置１０では、３相のコイル７の内、Ｗ相コイル７ｗが対象相であり、Ｗ相コイル７ｗに外部交流電源４が選択的に接続される。Ｗ相コイル７ｗと、他の２相（Ｕ相コイル７ｕ及びＶ相コイル７ｖ）とには、互いに逆方向の電流が流れる。また、キルヒホッフの法則に基づき、中性点７Ｎにおける入出力電流の総和はゼロとなるから、Ｗ相コイル７ｗを流れるＷ相電流Ｉｗの大きさと、Ｕ相コイル７ｕを流れるＵ相電流Ｉｕの大きさと、Ｖ相を流れるＶ相電流Ｉｖの大きさとを異ならせることもできる。従って、磁気飽和は生じにくくなり、コイル７におけるインダクタンスが小さくなることが抑制される。このため、図６に示す第２の例の車載充電装置１０では、図７に示す比較例の充電装置１０Ｘとは異なり、交流直流コンバータ１を追加のインダクタＬ１を備えることなく構成することができる。図３に示す第１の例の車載充電装置１０では、対象相がＵ相、Ｖ相、Ｗ相の内の何れか１相に可変である。第１の例の車載充電装置１０でも、図７に示す比較例の充電装置１０Ｘとは異なり、交流直流コンバータ１を追加のインダクタＬ１を備えることなく構成することができる。
【0045】
但し、このように複数相のコイル７のそれぞれに流れる電流が異なると、回転電機７０のロータ７３（図５参照）にトルクを生じさせるおそれがある。このため、制御装置８は、対象相を除く各相のコイル７に流れる電流の和と対象相に流れる電流との和がゼロとなると共に、回転電機７０のロータ７３にトルクが生じないように、ロータ７３の回転位置に応じて、インバータ５（交流直流コンバータ１）を駆動して対象コイルを除く各相のコイル７に流れる電流を可変制御する（式（１０）～式（１５）等を参照して後述する。）。
【0046】
図７に示す比較用の充電装置１０Ｘのように、複数相のコイル７の中性点７Ｎに外部交流電源４を接続した場合、複数相のそれぞれのコイル７には、同じ向きに概ね同じ大きさの電流が流れる。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、交流直流変換の際に、外部交流電源４の系統電流の高調波電流や、直流電流のリップル成分のピーク値が大きくなる。しかし、本実施形態の車載充電装置１０のように、複数相のコイル７に流れる電流を異ならせることにより、コイル７におけるインダクタンスを確保し易く、前述したような高周波電流やリップルの問題が生じにくい。
【0047】
但し、複数のコイル７に流れる電流の向きや大きさが異なる場合、回転電機７０のロータ７３にトルクが生じる可能性がある。コイル７やインバータ５など車両用駆動装置９の一部を用いた直流電源３の充電は、車両が停止している状態で行われるため、ロータ７３にトルクが生じることは好ましくない。例えば、クラッチ等によってロータ７３から車輪への動力伝達を遮断したり、いわゆるパーキングブレーキ等によって車輪に連結される出力部材の回転やロータ７３の回転を規制したりすることも考えられる。しかし、これらの場合は、車両用駆動装置９の機構の複雑化を招いたり、車両用駆動装置９のギヤ等に機械的な負荷を生じさせたりすることにもなる。
【0048】
本実施形態の車載充電装置１０では、ロータ７３の回転位置に応じて、外部交流電源４が接続される対象相を除く各相に流れる電流が可変制御されるため、ロータ７３に生じるトルクを抑制して適切に直流電源３を充電することができる。尚、わずかなロータ７３の回転等を抑制する上では、クラッチ等によってロータ７３から車輪への動力伝達を遮断したり、パーキングブレーキ等によって車輪に連結される出力部材の回転やロータ７３の回転を規制したりしておくことは好適である。本実施形態では、ロータ７３にトルクが生じないようにしていることから、車両用駆動装置９のギヤ等にはほとんど機械的な負荷も生じない。
【0049】
尚、詳細は後述するが、対象相は、停止状態のロータ７３の回転位置に基づいて設定される。ロータ７３が停止した際の回転位置に応じて動的に対象相が設定されてもよいし、予め対象相が設定されており、制御装置８が、予め設定された対象相に対応した回転位置となるように制御してロータ７３を停止させてもよい。例えば、ロータ７３が停止した際の回転位置に応じて動的に対象相が設定される場合には、図３に示す第１例の例のように車載充電装置１０が構成されると好適である。また、予め対象相が設定される場合には、図６に示す第２例の例のように車載充電装置１０が構成されると好適である。
【0050】
複数相のコイル７を備えている場合、ロータ７３に生じるトルクは、ロータ７３における磁極の位置と、複数相のコイル７との位置関係によって規定される。ロータ７３における磁極の位置はロータ７３の回転によって移動するから、ロータ７３の回転位置と対象相とが対応付けられていると、ロータ７３が停止した状態でロータ７３にトルクが生じないように、対象相の対象コイルを除く各相のコイル７に流れる電流を可変制御することができる。
【0051】
例えば、図５に示す回転電機７０は、ステータコア７２に３相のコイル７が配置されたステータ７１と、ロータコア７４に永久磁石７５が配置されたロータ７３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。図５には、８つの磁極（４つのＮ極及び４つのＳ極）を備えた８極（４極対）のロータ７３を例示している。ロータ７３における磁極の数や、ステータ７１におけるコイル７の巻き方等については例示であって構成を限定するものではない。
【0052】
上述したように、制御装置８は、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（Ｕ相電流Ｉｕ，Ｖ相電流Ｉｖ，Ｗ相電流Ｉｗ）を、ロータ７３に配置された永久磁石７５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。ｄ軸電流は界磁を発生させるための界磁電流、ｑ軸電流はトルクを発生させるためのトルク電流とも称され、磁極との関係でｑ軸電流がゼロとなるロータ７３の回転位置に対応するコイル７を対象相のコイルである対象コイルとする。例えば、図５の例では、ロータ７３のＮ極にＵ相コイル７ｕが対向している。この場合、Ｕ相が対象相であり、Ｕ相コイル７ｕが対象コイルとなる。
【0053】
図６に示す第２例の車載充電装置１０が対象相をＷ相コイル７ｗに固定しているのに対して、図３に示す第１の例の車載充電装置１０では、対象相が複数相の何れか（ここでは３相の何れか）に選択可能に構成されている。その他の構成については、第１の例と第２の例とは共通である。
【0054】
図３に示す第１の例では、複数のコイル７に対して、それぞれフロントエンドコンタクタ１１が備えられている。制御装置８は、停止状態のロータ７３の回転位置に基づいて、複数のコイル７の内の１つを対象コイルに設定すると共に、対象コイルに備えられたフロントエンドコンタクタ１１を対象コンタクタに設定する。そして、対象コンタクタを介して、対象コイルと対象アームの中点との間に外部交流電源４を直列に接続すると共に、対象コンタクタを除くフロントエンドコンタクタ１１を介して、対象コイルを除く各相のコイル７と対象アームを除く各相のアームの中点とをそれぞれ接続する。
【0055】
図３では簡略化のために符号を付していないが、第１の例では、Ｕ相用（例えば“１１ｕ”）、Ｖ相用（例えば“１１ｖ”）、Ｗ相用（例えば“１１ｗ”）の３つのコンタクタによりフロントエンドコンタクタ１１が構成されている。上述したように、フロントエンドコンタクタ１１は、対象コイルと対象アームの中点との間に、外部交流電源４を選択的に直列接続する。このため、外部交流電源４の側の配線経路を選択的に切り替えるための交流電源側コンタクタ１１Ａと、インバータ５の側（アームの側）の配線経路を選択的に切り替えるアーム側コンタクタ１１Ｂとを有している。図３に示すように、第１の例の構成では、Ｕ相コイル７ｕ、Ｖ相コイル７ｖ、Ｗ相コイル７ｗのそれぞれに対して交流電源側コンタクタ１１Ａと、アーム側コンタクタ１１Ｂとが備えられている。図６を参照して上述したように、交流電源側コンタクタ１１Ａは、第１接点１１１と、第２接点１１２と、第３接点１１３とを備え、アーム側コンタクタ１１Ｂは、第４接点１１４と第５接点１１５とを備えている。これらの接点も、Ｕ相コイル７ｕ、Ｖ相コイル７ｖ、Ｗ相コイル７ｗのそれぞれに対して、設けられている。
【0056】
上述したように、これらの接点に関しては、符号“１１”のコンタクタに第１～第５の接点番号を付与している。図３においては、各相の接点に関して、Ｕ相用“１１ｕ”、Ｖ相用“１１ｖ”、Ｗ相用“１１ｗ”のコンタクタに第１～第５の接点番号を付与している。フロントエンドコンタクタ１１は、Ｕ相の接点として、Ｕ相第１接点１１ｕ１と、Ｕ相第２接点１１ｕ２と、Ｕ相第３接点１１ｕ３と、Ｕ相第４接点１１ｕ４と、Ｕ相第５接点１１ｕ５とを備えている。また、フロントエンドコンタクタ１１は、Ｖ相の接点として、Ｖ相第１接点１１ｖ１と、Ｖ相第２接点１１ｖ２と、Ｖ相第３接点１１ｖ３と、Ｖ相第４接点１１ｖ４と、Ｖ相第５接点１１ｖ５とを備えている。また、フロントエンドコンタクタ１１は、Ｗ相の接点として、Ｗ相第１接点１１ｗ１と、Ｗ相第２接点１１ｗ２と、Ｗ相第３接点１１ｗ３と、Ｗ相第４接点１１ｗ４と、Ｗ相第５接点１１ｗ５とを備えている。
【0057】
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、全相の第１接点１１１と第２接点１１２とが接続されると共に、第３接点１１３、第４接点１１４、第５接点１１５は開放される。これにより、全ての相のコイル７と、それぞれの相に対応するアームの中点とが接続されると共に外部交流電源４は全ての相のコイル７から分離される。
【0058】
インバータ５が直流電源３を充電する車載充電装置１０に用いられる場合には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の内、対象相となる何れか１相のコイル７が対象コイルとなる。そして、対象コイルの第１接点１１１と第３接点１１３とが接続されると共に、第４接点１１４と第５接点１１５とが接続され、第２接点１１２が開放される。これにより、対象コイルと対象アームの中点との電気的接続が遮断されると共に、対象コイルと対象アームの中点との間に外部交流電源４が直列に接続される。
【0059】
例えば、Ｕ相が対象相の場合には、Ｕ相コイル７ｕが対象コイルとなる。そして、Ｕ相第１接点１１ｕ１とＵ相第３接点１１ｕ３とが接続されると共に、Ｕ相第４接点１１ｕ４とＵ相第５接点１１ｕ５とが接続され、Ｕ相第２接点１１ｕ２が開放される。これにより、Ｕ相コイル７ｕとＵ相アーム５ｕの中点との電気的接続が遮断されると共に、Ｕ相コイル７ｕとＵ相アーム５ｕの中点との間に外部交流電源４が直列に接続される。また、Ｖ相及びＷ相については、Ｖ相第１接点１１ｖ１とＶ相第２接点１１ｖ２とが接続されると共に、Ｖ相第３接点１１ｖ３、Ｖ相第４接点１１ｖ４、Ｖ相第５接点１１ｖ５は開放され、Ｗ相第１接点１１ｗ１とＷ相第２接点１１ｗ２とが接続されると共に、Ｗ相第３接点１１ｗ３、Ｗ相第４接点１１ｗ４、Ｗ相第５接点１１ｗ５は開放される。これにより、Ｖ相、Ｗ相のコイル７（Ｖ相コイル７ｖ、Ｗ相コイル７ｗ）と、それぞれの相に対応するアーム（Ｖ相アーム５ｖ、Ｗ相アーム５ｗ）の中点とが接続されると共に外部交流電源４はＶ相コイル７ｖ及びＷ相コイル７ｗから分離される。
【0060】
同様に、Ｖ相が対象相の場合には、Ｖ相コイル７ｖが対象コイルとなる。そして、Ｖ相第１接点１１ｖ１とＶ相第３接点１１ｖ３とが接続されると共に、Ｖ相第４接点１１ｖ４とＶ相第５接点１１ｖ５とが接続され、Ｖ相第２接点１１ｖ２が開放される。これにより、Ｖ相コイル７ｖとＶ相アーム５ｖの中点との電気的接続が遮断されると共に、Ｖ相コイル７ｖとＶ相アーム５ｖの中点との間に外部交流電源４が直列に接続される。また、Ｗ相及びＵ相については、Ｗ相第１接点１１ｗ１とＷ相第２接点１１ｗ２とが接続されると共に、Ｗ相第３接点１１ｗ３、Ｗ相第４接点１１ｗ４、Ｗ相第５接点１１ｗ５は開放され、Ｕ相第１接点１１ｕ１とＵ相第２接点１１ｕ２とが接続されると共に、Ｕ相第３接点１１ｕ３、Ｕ相第４接点１１ｕ４、Ｕ相第５接点１１ｕ５は開放される。これにより、Ｗ相、Ｕ相のコイル７（Ｗ相コイル７ｗ、Ｕ相コイル７ｕ）と、それぞれの相に対応するアーム（Ｗ相アーム５ｗ、Ｕ相アーム５ｕ）の中点とが接続されると共に外部交流電源４はＷ相コイル７ｗ及びＵ相コイル７ｕから分離される。
【0061】
同様に、Ｗ相が対象相の場合には、Ｗ相コイル７ｗが対象コイルとなる。そして、Ｗ相第１接点１１ｗ１とＷ相第３接点１１ｗ３とが接続されると共に、Ｗ相第４接点１１ｗ４とＷ相第５接点１１ｗ５とが接続され、Ｗ相第２接点１１ｗ２が開放される。これにより、Ｗ相コイル７ｗとＷ相アーム５ｗの中点との電気的接続が遮断されると共に、Ｗ相コイル７ｗとＷ相アーム５ｗの中点との間に外部交流電源４が直列に接続される。また、Ｕ相及びＶ相については、Ｕ相第１接点１１ｕ１とＵ相第２接点１１ｕ２とが接続されると共に、Ｕ相第３接点１１ｕ３、Ｕ相第４接点１１ｕ４、Ｕ相第５接点１１ｕ５は開放され、Ｖ相第１接点１１ｖ１とＶ相第２接点１１ｖ２とが接続されると共に、Ｖ相第３接点１１ｖ３、Ｖ相第４接点１１ｖ４、Ｖ相第５接点１１ｖ５は開放される。これにより、Ｕ相、Ｖ相のコイル７（Ｕ相コイル７ｕ、Ｖ相コイル７ｖ）と、それぞれの相に対応するアーム（Ｕ相アーム５ｕ、Ｖ相アーム５ｖ）の中点とが接続されると共に外部交流電源４はＵ相コイル７ｕ及びＶ相コイル７ｖから分離される。
【0062】
図３に示すように、この構成によれば、ロータ７３が停止した際のロータ７３の回転位置に応じて、柔軟に対象相を設定することができる。対象相が複数相のコイル７の何れか１相に固定されている構成では、ロータ７３を適切な位置に停止させたり、ロータ７３の停止後にロータ７３の位置を微調整したりする必要が生じる場合がある。しかし、本構成によれば、ロータ７３が停止した位置に応じて直流電源３の充電制御を迅速に開始し易い。
【0063】
以下、対象相の設定基準、及び、コイル７の電流制御について説明する。対象コイルに流す電流は、直流電源３の充電に必要な電力、電圧、電流等に応じて交流直流コンバータ１が必要な出力（例えば出力電圧）によって設定される。対象コイルを除くコイル７に流す電流は、回転電機７０のロータ７３にトルクが生じないような電流として設定される。図４の波形図は、各相のコイル７を流れる電流（Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗ）及びｄ軸電流Ｉｄと電気角θとの関係を示している。電気角θが６０度の時、Ｗ相電流Ｉｗに対して、Ｕ相電流Ｉｕ及びＶ相電流Ｉｖは、それぞれ“－Ｉｗ／２”である。この時、ｑ軸電流はゼロとなり、ロータ７３にはトルクが生じない。電気角θが半周期離れた２４０度の場合も同様である。また、同様に、電気角θが１２０度及び３００度の時、Ｖ相電流Ｉｖに対して、Ｗ相電流Ｉｗ及びＵ相電流Ｉｕは、それぞれ“－Ｉｖ／２”であり、ｑ軸電流がゼロとなってロータ７３にはトルクが生じない。同様に、電気角θが１８０度及び３６０度（０度）の時、Ｕ相電流Ｉｕに対して、Ｖ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗは、それぞれ“－Ｉｕ／２”であり、ｑ軸電流がゼロとなってロータ７３にはトルクが生じない。このように、電気角の１周期において６回、ロータ７３のトルクをゼロにすることができる角度“θ”がある。
【0064】
図５を参照して上述したようにロータ７３が４極対の場合には、ロータ７３の一周（機械角の３６０度）の間に、電気角が４周期存在する。従って、機械的にロータ７３が一周する間、即ちロータ７３の機械角における１周期において、１５度おきに２４箇所、ロータ７３のトルクをゼロにできるポイントが存在する。ロータ７３がこれらのポイント間を移動することによって生じる車輪の回転はわずか（回転角で１５度）であるから、対象相が複数相から選択される場合（図３に示す第１の例の場合）、車両の停止位置（ロータ７３の停止位置）に応じて、適切に対象相を設定することができる。
【0065】
また、対象相が固定される場合（図６に示す第２の例の場合）であっても、ロータ７３の機械角における１周期において、４５度おきに８箇所、ロータ７３のトルクをゼロにできるポイントが存在する。第１の例に比べると、移動距離が大きくはなるが、ロータ７３がこれらのポイント間を移動することによって生じる車輪の回転はわずか（回転角で４５度）であるから、１つの相を対象相に固定した場合であっても、車両の停車位置を大きくずらす必要なく、適切な位置でロータ７３を停止させることができる。
【0066】
また、車両の運転支援装置、ナビゲーションシステム、自動運転システム等との協働によって車両を移動させることによって、上述した２４箇所の内の一箇所（第１の例の構成の場合）、或いは８箇所の内の一箇所（第２の例の構成の場合）にロータ７３が位置するように、制御装置８がインバータ５を介して回転電機７０を制御することで適切な充電環境を実現することができる。
【0067】
さらに、本実施形態では、制御装置８がインバータ５のスイッチング素子５Ｓをスイッチング制御することによって、対象コイル以外のコイル７を流れる電流の値を異ならせることができる。例えば、対象相がＷ相の場合、電気角θが６０度の場合には、Ｕ相電流Ｉｕ及びＶ相電流Ｉｖは、それぞれ“－Ｉｗ／２”である。図４に示すように、電気角θが３０度を超え６０度未満の場合には、“Ｉｖ＞Ｉｕ”であり、電気角θが６０度を超え９０度未満の場合には、“Ｉｕ＞Ｉｖ”である。従って、ｄ軸電流に寄与する相（対象相、例えばＷ相）を除く相（Ｕ相及びＶ相）の電流が同じ値となる電気角６０度を中心にして、前後“３６０／４Ｎ”（Ｎは、コイル７の相数）の範囲においては、制御装置８が対象相を除く各相のコイル７に流れる電流の和と対象コイルに流れる電流との和がゼロとなるように、各相のコイル７に流れる電流を可変制御することによって、ロータ７３に生じるトルクをゼロに抑制することができる。
【0068】
例えば、図４に示す電気角θが３０度から９０度の範囲においては、電気角θが大きくなるに従って、Ｕ相電流Ｉｕを増加させると共にＶ相電流Ｉｖを低下させる。中間の電気角θ＝６０度では、Ｕ相電流ＩｕとＶ相電流Ｉｖとが等しい。このように、対象コイル以外のコイル７を流れる電流を可変制御することで、ロータ７３が任意の位置で停止した場合であってもロータ７３にトルクを生じさせることなく、コイル７を用いて充電制御を実行することができる。
【0069】
従って、図６に示す第２の例のような構成においても、電気角θが６０度となる位置と、２４０度となる位置にピンポイントでロータ７３を停止させなくてもよい。電気角θが３０度から９０度の範囲、又は、２１０度から２７０度の範囲となるように、ロータ７３を停止させればよい。車両の運転支援装置、ナビゲーションシステム、自動運転システム等との協働により車両を移動させる際にも、位置精度に対する要求を緩くすることができる。
【0070】
尚、対象相が切り替わる電気角、図４に示す例では、３０度、９０度、１５０度、２１０度、２７０度、３３０度については、何れの相が対象相に設定されてもよい。例えば、制御装置８は、３０度以上９０度未満の範囲においてＷ相を対象相とし、以下同様としてもよいし、３０度を超え９０度以下の範囲においてＷ相を対象相とし、以下同様としてもよい。制御装置８は、プログラム等によって境界を考慮して、予め電気角の範囲を設定しておけばよい。
【0071】
【0072】
【表1】
【0073】
以下、外部交流電源４を接続する場合のトルクと、コイル７に流れる電流について説明する。“Ｉａ”はコイル７を流れる電流の総和であるコイル電流、“Ｉｄ”はコイル電流Ｉａがｄｑ軸ベクトル座標系に座標変換されたｄ軸電流、“Ｉｑ”は同様に座標変換されたｑ軸電流、“Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ”はそれぞれＵ相コイル７ｕを流れるＵ相電流、Ｖ相コイル７ｖを流れるＶ相電流、Ｗ相コイル７ｗを流れるＷ相電流、“Ｉｇ”は外部交流電源４から供給されるグリッド電流、“Ｉｇ＿ｐｋ”は交流のグリッド電流の振幅、“Ｉｇｕ＿ｐｋ，Ｉｇｖ＿ｐｋ，Ｉｇｗ＿ｐｋ”はそれぞれＵ相コイル７ｕ、Ｖ相コイル７ｖ、Ｗ相コイル７ｗの何れかが対象コイルとして外部交流電源４が接続された場合のグリッド電流、“ｐ”は図５を参照して上述した極対数、“Φ”は永久磁石７５による磁束、“Ｌｄ”はｄ軸インダクタンス、“Ｌｑ”はｑ軸インダクタンス、“Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３”及び“Ｋ１’，Ｋ２’，Ｋ３’”は係数を示している。
【0074】
以下、Ｗ相を対象相とし、Ｗ相コイル７ｗに外部交流電源４を接続する場合のトルクと、コイル７に流れる電流を例として説明する。Ｗ相が対象相であるから、Ｗ相電流Ｉｗはグリッド電流Ｉｇに等しい。また、３相電流は平衡しており、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗの総和であるコイル電流Ｉａはゼロである。インバータ５のＵ相アーム５ｕ及びＶ相アーム５ｖのスイッチング素子５Ｓがスイッチング制御されない場合には、フリーホイールダイオードを介した整流作用のみが作用し、素子の誤差を考慮しなければ、Ｕ相電流Ｉｕ及びＶ相電流Ｉｖは下記の式（１）に示すように等価である。
【0075】
【数1】
【0076】
ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑと、３相の電流であるＩｕ、Ｉｖ、Ｉｗとの関係は、下記の式（２）で示され、展開すると下記のように式（３）、式（４）となる。
【0077】
【数2】
【数3】
【数4】
【0078】
上記の式（１）、式（３）、式（４）より、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑは、それぞれグリッド電流Ｉｇを用いて下記の式（５）、式（６）のように表すことができる。
【0079】
【数5】
【数6】
【0080】
ここで、ロータ７３に生じるトルクＴｅ（電磁トルク）は、下記の式（７）で表される。
【数7】
【0081】
また、交流のグリッド電流Ｉｇは、下記の式（８）で表される。
【0082】
【数8】
【0083】
式（５）、式（６）より、式（７）は、下記式（９）で示される。
【0084】
【数9】
【0085】
“θ＝π／３＝６０度”の時、“２θ＋４／３π＝２π”、“ｓｉｎ（２π）＝０”であり、“θ＋２／３π＝π”、“ｓｉｎ（π）＝０”であり、式（９）は“Ａ＝０、Ｂ＝０”となり、トルクＴｅはゼロとなる。即ち、電気角θ＝６０度の時、ロータ７３のトルクをゼロにすることができることが判る。
【0086】
“θ＝４π／３＝２４０度”の時、“２θ＋４／３π＝２π”、“ｓｉｎ（４π）＝０”であり、“θ＋２／３π＝２π”、“ｓｉｎ（２π）＝０”であり、式（９）は“Ａ＝０、Ｂ＝０”となり、トルクＴｅはゼロとなる。即ち、電気角θ＝２４０度の時、ロータ７３のトルクをゼロにすることができることが判る。
【0087】
このように、対象相がＷ相であるとき、図４、図５を参照して上述したように、電気角θ＝６０度、及び２４０度の場合にロータ７３のトルクＴｅをゼロにできることが判る。対象相がＵ相、又はＶ相の場合も同様であり、図４、図５を参照して上述したように、ロータ７３の回転位置（磁極位置）に応じて、ロータ７３のトルクＴｅをゼロにすることができる。
【0088】
さらに、これらの電気角θの前後“３６０／４Ｎ”（Ｎは、コイル７の相数）の範囲においても、図４及び表１を参照して上述したように、制御装置８が対象相を除く各相のコイル７に流れる電流を可変制御することによって、ロータ７３に生じるトルクをゼロに抑制することができる。
【0089】
ここで、“Ｉｑ＝０”、“Ｉｕ＝－（Ｉｖ＋Ｉｗ）”の関係、及び式（４）より、下記の式（１０）が導かれ、式（８）より下記の式（１１）（式（１１ａ）、式（１１ｂ）、式（１１ｃ））が導かれる。尚、係数“Ｋ１”と“Ｋ１’”とは、“Ｋ１＋Ｋ１’＝－１”の関係である。
【0090】
【数10】
【数11】
【0091】
対象相に設定される電気角θの範囲内において、上記の式（１０）、式（１１）に電気角θを当てはめることで、各相のコイル７に流す電流を設定することができる。図４は、このようにして設定される各相の電流を示している。
【0092】
上記においては、Ｗ相が対象相である形態について説明したが、図３に示す第１の例のように、Ｕ相、Ｖ相も対象相とすると、ロータ７３の機械角における１周期の２４箇所、１５度間隔でｑ軸電流ＩｑとトルクＴｅとがゼロとなる。そして、そのような機械角に対応する電気角θの前後“３６０／４Ｎ”（Ｎは、コイル７の相数）の範囲においても、図４及び表１を参照して上述したように、制御装置８が対象相を除く各相のコイル７に流れる電流を可変制御することによって、ロータ７３に生じるトルクをゼロに抑制することができる。従って、制御装置８による電流可変制御によって、電気角θの全範囲、並びにロータ７３の機械角の全範囲に亘って、ロータ７３に生じるトルクをゼロに抑制することができる。
【0093】
下記の式（１２）、式（１３）（式（１３ａ）、式（１３ｂ）、式（１３ｃ））は、Ｕ相が対象相となる場合、下記の式（１４）、式（１５）（式（１５ａ）、式（１５ｂ）、式（１５ｃ））は、Ｖ相が対象相となる場合を示している。尚、係数“Ｋ２”と“Ｋ２’”とは、“Ｋ２＋Ｋ２’＝－１”の関係であり、係数“Ｋ３”と“Ｋ３’”とは、“Ｋ３＋Ｋ３’＝－１”の関係である。
【0094】
【数12】
【数13】
【数14】
【数15】
【0095】
このように、各コイル７が対象相に設定される電気角θの範囲内において、上記の式（１０）から式（１５）に電気角θを当てはめることで、各相のコイル７に流す電流を設定することができる。即ち、図４に示すように各相の電流を制御することにより、電気角θの全範囲、並びにロータ７３の機械角の全範囲に亘って、ロータ７３に生じるトルクをゼロに抑制することができる。
【0096】
以上、説明したように、本構成によれば、回転電機７０のコイル７及び回転電機７０を駆動するインバータ５を利用し、外部交流電源４により直流電源３を充電する車載充電装置１０をシステムコストの増加を抑制して構成することができる。
【符号の説明】
【0097】
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、５ｕ：Ｕ相アーム（アーム）、５ｖ：Ｖ相アーム（アーム）、５ｗ：Ｗ相アーム（アーム）、７：コイル、７Ｎ：中性点、７ｕ：Ｕ相コイル（コイル）、７ｖ：Ｖ相コイル（コイル）、７ｗ：Ｗ相コイル（コイル）、８：制御装置、９：車両用駆動装置、１０：車載充電装置、１１：フロントエンドコンタクタ（交流電源接続コンタクタ）、１２：バッテリコンタクタ（直流電源接続コンタクタ）、１３：バックエンドコンタクタ（コンバータ接続コンタクタ）、７０：回転電機、７３：ロータ、Ｉｕ：Ｕ相電流（コイルに流れる電流）、Ｉｖ：Ｖ相電流（コイルに流れる電流）、Ｉｗ：Ｗ相電流（コイルに流れる電流）、Ｔ１ｄ：直流側端子、Ｔ２１：第１端子、Ｔ２２：第２端子、Ｔｅ：トルク
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】