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公開番号2025103578
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-09
出願番号2023221046
出願日2023-12-27
発明の名称充電システム
出願人トヨタ自動車株式会社
代理人弁理士法人快友国際特許事務所
主分類H02J 7/00 20060101AFI20250702BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】本明細書は、デュアルインバータタイプの装置を用いてバッテリを充電するシステムにおいて、スイッチング素子の累積ストレスを緩和する技術を提供する。
【解決手段】充電システムは、モータ、第1/第2インバータ、中性点スイッチング素子、受電端子、回路セレクタ、コントローラを備える。モータの複数のステータコイルの一端が第1インバータに接続され、他端が第2インバータに接続される。中性点スイッチング素子はステータコイルの他端を中性点にて相互に接続する。受電端子にはバッテリよりも出力電圧が低い外部電源が接続される。回路セレクタは、第1/第2インバータと受電端子と中性点の接続関係を切り替える。コントローラは、第1/第2インバータのスイッチング素子と中性点スイッチング素子のうち、累積ストレスの小さいスイッチング素子を通じて外部電源からステータコイルに電流が流れるように回路セレクタを制御する。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
バッテリよりも出力電圧が低い外部電源を用いてバッテリを充電する充電システムであり、
複数のステータコイルを備えているモータと、
複数の前記ステータコイルの一端に接続されている第１インバータと、
複数の前記ステータコイルの他端に接続されている第２インバータと、
複数の前記ステータコイルの他端を中性点に接続する中性点スイッチング素子と、
前記外部電源が接続可能な接続正極端と接続負極端を備えている受電端子であって前記接続負極端が前記バッテリのバッテリ負極端に接続されている受電端子と、
前記第１インバータと前記第２インバータと前記中性点と前記受電端子の接続関係を切り替える回路セレクタと、
コントローラと、
を備えており、
前記第１インバータは、
第１グランド端と、
第１上スイッチング素子と第１下スイッチング素子が直列に接続されている複数の第１直列接続体であって、前記バッテリのバッテリ正極端と前記第１グランド端との間に並列に接続されている複数の第１直列接続体と、
を備えており、
それぞれの前記第１直列接続体の中点にそれぞれの前記ステータコイルの一端が接続されており、
前記第２インバータは、
第２グランド端と、
第２上スイッチング素子と第２下スイッチング素子が直列に接続されている複数の第２直列接続体であって、前記バッテリ正極端と前記第２グランド端との間に並列に接続されている複数の第２直列接続体と、
を備えており、
それぞれの前記第２直列接続体の中点にそれぞれの前記ステータコイルの他端が接続されており、
前記回路セレクタは、
前記第１グランド端と前記第２グランド端を前記バッテリ負極に接続するモータ駆動モードと、
前記第１グランド端を前記バッテリ負極に接続するとともに、前記第２グランド端を前記バッテリ負極から切り離して前記接続正極端に接続する第１充電モードと、
前記第２グランド端を前記バッテリ負極に接続するとともに、前記第１グランド端を前記バッテリ負極から切り離して前記接続正極端に接続する第２充電モードと、
前記中性点を前記接続正極端に接続するとともに、前記第１グランド端を前記バッテリ負極に接続する中性点充電モードと、
のいずれかを選択可能であり、
前記コントローラは、
前記モータを前記第１インバータと前記第２インバータで駆動する場合は前記回路セレクタを前記モータ駆動モードに設定するとともに、前記中性点スイッチング素子をオフに保持し、
前記受電端子に前記外部電源が接続された場合、
前記第１下スイッチング素子の第１累積ストレスと、前記第２下スイッチング素子の第２累積ストレスと、前記中性点スイッチング素子の第３累積ストレスを比較し、
前記第２累積ストレスが最も小さい場合、前記中性点スイッチング素子をオフに保持するとともに前記回路セレクタを第１充電モードに設定し、前記第１下スイッチング素子をオンオフして前記バッテリを充電し、
前記第１累積ストレスが最も小さい場合、前記中性点スイッチング素子をオフに保持するとともに前記回路セレクタを第２充電モードに設定し、前記第２下スイッチング素子をオンオフして前記バッテリを充電し、
前記第３累積ストレスが最も小さい場合、前記中性点スイッチング素子をオンに保持するとともに前記回路セレクタを中性点充電モードに設定し、前記第１下スイッチング素子をオンオフして前記バッテリを充電する、
充電システム。
続きを表示（約 390 文字）【請求項２】
前記コントローラは、前記第１累積ストレスが最も小さい場合、複数の前記第１下スイッチング素子の累積ストレスのうち最も前記累積ストレスが小さい前記第１下スイッチング素子に流れる電流が、最も前記累積ストレスが大きい前記第１下スイッチング素子に流れる電流よりも大きくなるように、それぞれの前記第１下スイッチング素子のオンオフタイミングを調整する、請求項１に記載の充電システム。
【請求項３】
前記第１累積ストレスは、前記第１下スイッチング素子の単位時間当たりの上昇温度の累積値に基づいており、
前記第２累積ストレスは、前記第２下スイッチング素子の単位時間当たりの上昇温度の累積値に基づいており、
前記第３累積ストレスは、前記中性点スイッチング素子の単位時間当たりの上昇温度の累積値に基づいている、請求項１または２に記載の充電システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、モータのステータコイルとインバータのスイッチング素子を昇圧コンバータとして用いてバッテリを充電する充電システムに関する。
続きを表示（約 2,300 文字）【背景技術】
【０００２】
モータのステータコイルとインバータのスイッチング素子の回路は昇圧コンバータとして使えることが知られている。特許文献１には、モータのステータコイルとインバータのスイッチング素子を昇圧コンバータとして使ってバッテリよりも出力電圧が低い外部電源でバッテリを充電する装置が開示されている。特許文献１の技術では、１個のモータと２個のインバータを用いたデュアルインバータタイプの駆動装置を用いてバッテリを充電する。デュアルインバータタイプの駆動装置では、オープン巻線型のモータ用いられる。モータのステータコイルの一端が第１インバータに接続され、他端が第２インバータに接続される。
【０００３】
デュアルインバータタイプの駆動装置において、複数のステータコイルの他端を中性点にて相互に接続すると、通常のクローズタイプのモータ駆動装置として用いることができる。特許文献１の装置では、複数のステータコイルの他端を中性点にて相互に接続するとともに、中性点に外部電源を接続する。外部電源の電流は中性点を通じてステータコイルに流れる。第１インバータの下スイッチング素子をオンオフすることで、外部電源の電圧はステータコイルで昇圧される。外部電源の電力は、中性点／ステータコイル／第１インバータの上スイッチング素子を通じてバッテリに流れる。以下では、説明の便宜のため、中性点を通じて電力をバッテリに送る充電方法を中性点充電と称する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２０２３－１１４９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
中性点充電を繰り返すと、ステータコイルの他端を中性点に接続する中性点スイッチング素子の累積ストレス（累積負荷）が増加する。本明細書は、デュアルインバータタイプの駆動装置を用いた充電システムにおいて、中性点スイッチング素子の累積ストレスを緩和する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書が開示する充電システムは、モータ、第１／第２インバータ、中性点スイッチング素子、受電端子、回路セレクタ、コントローラを備える。モータの複数のステータコイルの一端が第１インバータに接続され、他端が第２インバータに接続される。中性点スイッチング素子をオンにするとステータコイルの他端は中性点で相互に接続される。受電端子は接続正極端と接続負極端を備えており、バッテリよりも出力電圧が低い外部電源を接続可能である。回路セレクタは、第１／第２インバータと受電端子と中性点の接続関係を切り替える。
【０００７】
第１インバータは、バッテリ正極端と第１グランド端の間に並列に接続される複数の第１直列接続体を備える。それぞれの第１直列接続体は、直列に接続された第１上スイッチング素子と第１下スイッチング素子を備える。それぞれの第１直列接続体の中点（第１上スイッチング素子と第１下スイッチング素子との接続点）にそれぞれのステータコイルの一端が接続される。第２インバータは、バッテリ正極端と第２グランド端の間に並列に接続される複数の第２直列接続体を備える。それぞれの第２直列接続体は、直列に接続されている第２上スイッチング素子と第２下スイッチング素子を備える。それぞれの第２直列接続体の中点（第２上スイッチング素子と第２下スイッチング素子との接続点）にそれぞれのステータコイルの他端が接続される。
【０００８】
回路セレクタは、モータ駆動モードと、第１充電モードと、第２充電モードと、中性点充電モードのいずれかを選択することができる。モータ駆動モードでは、第１グランド端と第２グランド端がバッテリ負極に接続される。モータ駆動モードは、モータを駆動するときに選択される。第１充電モードでは、第１グランド端をバッテリ負極に接続するとともに、第２グランド端をバッテリ負極から切り離して接続正極端に接続する。第２充電モードでは、第２グランド端をバッテリ負極に接続するとともに、第１グランド端をバッテリ負極から切り離して接続正極端に接続する。中性点充電モードでは、中性点を接続正極端に接続するとともに、第１グランド端をバッテリ負極に接続する。
【０００９】
コントローラは、モータを第１インバータと第２インバータで駆動する場合はセレクタをモータ駆動モードに設定し、中性点スイッチング素子をオフに保持する。コントローラが第１インバータと第２インバータを適宜に制御するとモータが駆動される。コントローラは、モータを第１インバータのみで駆動する場合はセレクタをモータ駆動モードに設定し、中性点スイッチング素子をオンに保持する。コントローラが第２インバータを停止し第１インバータを制御すると、モータは第１インバータから送られてくる交流電力で駆動される。
【００１０】
受電端子に外部電源が接続された場合、コントローラは次の処理を実行する。コントローラは、第１下スイッチング素子の累積ストレス（第１累積ストレス）と、第２下スイッチング素子の累積ストレス（第２累積ストレス）と、中性点スイッチング素子の累積ストレス（第３累積ストレス）を比較する。第２累積ストレスが最も小さい場合、コントローラは、中性点スイッチング素子をオフに保持するとともに回路セレクタを第１充電モードに設定し、第１下スイッチング素子を適宜にオンオフする。外部電源の電圧は第１下スイッチング素子の動作によって昇圧され、バッテリが充電される。
（【００１１】以降は省略されています）

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