本発明は、電動車両などに搭載されるモータシステムに関する。

近年、モータを駆動源とする電気自動車、モータとエンジンとを駆動源とするハイブリッド車両などの電動車両が多く用いられている。電動車両にはモータシステムが搭載される。よく知られたモータシステムは、バッテリと、バッテリから供給される直流電力の電圧を昇圧して昇圧直流電力を出力する昇圧コンバータと、昇圧コンバータから供給される昇圧直流電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータ(以下、適宜「一般的なインバータ」と言う)と、昇圧コンバータおよびインバータを制御するコントローラ(ECU)を含む。バッテリは、複数の電池セルから構成された電池スタックが収納された電池パックであることが多い。

なお、モータは、電動車両の制動時には発電機として機能して回生エネルギーを回収しバッテリを充電する。インバータでモータから供給される回生電力(交流電力)を直流電力に変換し、直流電力を昇圧コンバータを介してバッテリに充電する。

インバータとしては、近年、MMI(モジュラー・マルチレベルPWMインバータ)が注目されている(特許文献1および非特許文献1を参照)。非特許文献1のFig.1(a)(b)にあるように、三相MMIは、キャパシタと2組の半導体スイッチ(スイッチングアーム)からなる2端子回路であるチョッパセル(モジュール回路)を多数含んで構成される。モジュール回路は、2組の半導体スイッチの制御により、2端子間へのキャパシタの電気的接続と、2端子間の短絡とを切換え可能な回路である。三相MMIは、インバータのU,V,W相の上下アームの各々を、複数のモジュール回路の直列接続からなるクラスタで構成する。各相の上アーム(上側クラスタ)と下アーム(下側クラスタ)とをセンタータップ付リアクトルを介して接続し、各相のリアクトルのセンタータップのそれぞれを三相交流負荷(三相交流モータ等)のそれぞれの端子に接続する。このような三相MMIによれば、複数の電圧レベル(マルチレベル)で変化させた交流電圧を三相交流モータに印加することができ、三相交流モータの制御性向上や電磁ノイズ低減などを期待できる。

特開2015−12769号公報

萩原誠・西村和敏・赤木泰文、「モジュラー・マルチレベルPWMインバータを用いた高圧モータドライブ:第1報:400V,15kWミニモデルによる実験的検証」、電気学会論文誌D、2010年4月、130巻、4号、pp.544−551

一般的なインバータ、MMIのいずれにおいても、インバータに供給された直流電圧の電圧値を超える交流電圧を出力することはできず、それらは降圧回路と考えることができる。多相交流モータに高電圧を供給するためには、インバータの前段に昇圧コンバータを設けて、バッテリからの直流電圧を昇圧してインバータに供給する必要がある。このように昇圧コンバータを設けると、その分、モータシステムの体格が大きくなってしまう。昇圧コンバータを省き、モータシステムを省スペースにすることが望まれている。

本発明の目的は、昇圧コンバータが省かれた、省スペースのモータシステムを提供することにある。

本発明に係るモータシステムは、上記の目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係るモータシステムは、キャパシタと、半導体素子からなるスイッチングアームとを有し、当該スイッチングアームの制御により、端子間への前記キャパシタの電気的接続と、当該端子間の短絡とを切換え可能であるキャパシタ基本モジュール回路と、電池セルと、半導体素子からなるスイッチングアームとを有し、当該スイッチングアームの制御により、端子間への前記電池セルの電気的接続と、当該端子間の短絡とを切換え可能である電池セル基本モジュール回路と、をそれぞれ1個又は複数個直列に接続したクラスタを複数備え、前記キャパシタ基本モジュール回路と前記電池セル基本モジュール回路とのスイッチングアームを制御する制御部と、多相交流モータと、を備え、前記クラスタをセンタータップ付リアクトルを挟んで2個直列接続したスタックが、前記多相交流モータの相数と同数だけ並列接続されており、前記リアクトルのそれぞれのセンタータップと前記多相交流モータの端子とが接続されており、前記制御部は、前記多相交流モータの駆動要求又は回生要求に基づいて、選択的に所定個の前記キャパシタ基本モジュール回路および前記電池セル基本モジュール回路の前記電気的接続を行う、ことを要旨とする。

本発明の一態様では、前記制御部が、前記多相交流モータの駆動運転又は回生運転において、各々の前記キャパシタ基本モジュール回路のキャパシタの電圧を制御する、ことが好適である。

本発明の一態様では、複数の前記スタックの共通接続点の間に、外部直流電源、又は、外部交流電源を整流した電源が接続された外部充電状態を有し、前記制御部が、前記外部充電状態において、充電対象の電池セルを有する電池セル基本モジュール回路の前記電気的接続を行う、ことが好適である。

本発明の一態様では、前記制御部が、前記多相交流モータの回生運転において、前記キャパシタ基本モジュール回路の前記電気的接続を、前記電池セル基本モジュール回路のそれよりも優先的に行う、ことが好適である。

本発明の一態様では、複数の前記電池セル基本モジュール回路の電池セルの各々の充電状態を検出する充電状態検出部を、さらに備え、前記制御部が、各々の電池セルの充電状態が均一になるように、各々の前記電池セル基本モジュール回路のスイッチングアームを制御する、ことが好適である。

本発明の一態様では、複数の前記キャパシタ基本モジュール回路のキャパシタの各々、および複数の前記電池セル基本モジュール回路の電池セルの各々の故障を検出する故障検出部を、さらに備え、前記制御部が、故障が検出されたキャパシタを有するキャパシタ基本モジュール回路の前記短絡を行い、故障が検出された電池セルを有する電池セル基本モジュール回路の前記短絡を行う、ことが好適である。

本発明の一態様では、前記制御部が、前記多相交流モータの運転が終了した際に、前記キャパシタ基本モジュール回路のキャパシタに蓄えられているエネルギーを、前記電池セル基本モジュール回路の電池セルへ移すように、それらのスイッチングアームを制御する、ことが好適である。

本発明によれば、バッテリを構成する各電池セルがインバータに組み込まれて一体化され、インバータに組み込まれた各キャパシタにより各クラスタの出力電圧を各クラスタに含まれる電池セルの総供給電圧から昇圧させた電圧にできるため、昇圧コンバータを省くことができ、モータシステムを省スペースにすることができる。

モータシステムの概略構成を示すブロック図である。

CMCの回路構成の一例(A)と、BMCの回路構成の一例(B)とを示す図である。

モータ駆動制御の電流経路を示す図である。

キャパシタ昇圧制御の電流経路を示す図である。

CMC,BMCの故障検出部と、BMCの充電状態検出部とを示す図である。

外部充電状態における電流経路を示す図である。

外部三相交流電源と三相フルブリッジ整流回路とを示す図である。

外部単相交流電源と三相フルブリッジ整流回路とを示す図である。

以下、本発明のモータシステムの実施形態を図面を参照しながら説明する。

<構成> 図1は、本実施形態のモータシステム10の概略構成を示すブロック図である。モータシステム10は、ハイブリッド車両や電気自動車などの電動車両に搭載される。モータ14は、車両の力行時には電動機として機能して車輪を駆動し、車両の制動時には発電機として機能する。本実施形態のモータシステム10は、モータ14に駆動電力を供給し、モータ14からの回生電力(回生エネルギー)を充電する複数の電池セルが、インバータに組み込まれて一体化されている特徴を有する。

図1に示すように、モータシステム10は、キャパシタ(キャパシタセル)を内部に有するキャパシタ基本モジュール回路(以降、適宜「CMC」と記す)20と、電池セルを内部に有する電池セル基本モジュール回路(以降、適宜「BMC」と記す)21とを、それぞれ1個又は複数個直列に接続したクラスタ18を複数備える。また、モータシステム10は、各CMC20及び各BMC21を制御する制御部12と、三相交流モータ14とを備える。

2個のクラスタ18がセンタータップ付リアクトル22を挟んで直列接続されてスタック16が構成されており、スタック16は、U,V,W相ごとに存在する。各相の上アーム(上側クラスタ、例えばCSuh)と、下アーム(下側クラスタ、例えばCSul)とがリアクトル22を介して接続された構造である。U,V,W相の各スタック16は並列接続されており、各相のリアクトル22のセンタータップのそれぞれが、三相交流モータ14の3つの端子24のそれぞれに接続されている。

制御部12は、プロセッサを含み、フラッシュメモリ等の記憶部に記憶されているプログラムに従って制御を実行する。制御部12は、例えばECUと呼ばれるものである。制御部12には、車両のアクセル開度等に従った三相交流モータ14の駆動要求が入力される。駆動要求には、三相交流モータ14の要求トルクや要求回転数などが伴う。制御部12は、三相交流モータ14の駆動要求に基づいて、各CMC20及び各BMC21のスイッチングアーム(後述)を制御し、三相交流モータ14を駆動する。同様に、制御部12には、三相交流モータ14が発電機として機能する際の回生要求が入力される。制御部12は、三相交流モータ14への回生要求に基づいて、各CMC20及び各BMC21のスイッチングアームを制御し、三相交流モータ14からの回生電力(回生エネルギー)をCMC20内のキャパシタに蓄電し、BMC21内の電池セルに充電する。

ここで、キャパシタ基本モジュール回路(CMC)20と、電池セル基本モジュール回路(BMC)21について詳細に説明する。図2(A)は、CMC20の回路構成の一例であり、図2(B)は、BMC21の回路構成の一例である。

図2(A)に示すように、CMC20は、半導体素子からなる上側のスイッチングアーム54Hおよび下側のスイッチングアーム54Lと、電気二重層コンデンサ等のキャパシタ58とを備える2端子回路である。上側のスイッチングアーム54Hは、IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor)等のスイッチング素子50Hと環流ダイオード52Hとが逆並列接続された回路である。スイッチング素子50Hのコレクタは、環流ダイオード52Hのカソードに接続され、かつ、キャパシタ58の正極端子に接続されている。スイッチング素子50Hのエミッタは、環流ダイオード52Hのアノードに接続され、かつ、p点を介してCMC20の一方の端子62に接続されている。スイッチング素子50Hのゲートは、不図示のゲートドライバを介して制御部12に接続されている。

上側のスイッチングアーム54Hと同様に、下側のスイッチングアーム54Lは、IGBT等のスイッチング素子50Lと環流ダイオード52Lとが逆並列接続された回路である。スイッチング素子50Lのコレクタは、環流ダイオード52Lのカソードに接続され、かつ、p点に接続されている。スイッチング素子50Lのエミッタは、環流ダイオード52Lのアノードに接続され、CMC20の他方の端子62に接続され、かつ、キャパシタ58の負極端子に接続されている。スイッチング素子50Lのゲートは、不図示のゲートドライバを介して制御部12に接続されている。このように、CMC20は、2組のスイッチングアーム54H,54Lを直列接続してなるレグ(ハーフブリッジ)に、キャパシタ58を接続した回路である。

制御部12は、CMC20の上側のスイッチング素子50Hをオンにし、下側のスイッチング素子50Lをオフにすることで、端子62間にキャパシタ58を電気的に接続する。この時、端子62間の電圧は、キャパシタ58の出力電圧Vc[V]とほぼ等しくなる。また、制御部12は、CMC20の上側のスイッチング素子50Hをオフにし、下側のスイッチング素子50Lをオンにすることで、端子62間を短絡する。なお、以降、適宜、端子62間にキャパシタ58が電気的接続された状態をCMC20の「オン状態」、端子62間が短絡された状態をCMC20の「オフ状態」と言う。

次に、BMC21について説明する。図2(B)に示すように、BMC21は、半導体素子からなる上側のスイッチングアーム54Hおよび下側のスイッチングアーム54Lと、電池セル60とを備える2端子回路である。BMC21は、CMC20のキャパシタ58を電池セル60に置き換えた回路であり、2組のスイッチングアーム54H,54Lを直列接続してなるレグ(ハーフブリッジ)に電池セル60を接続した回路である。制御部12は、BMC21の上側のスイッチング素子50Hをオンにし、下側のスイッチング素子50Lをオフにすることで、端子64間へ電池セル60を電気的に接続する。この時、端子64間の電圧は、電池セル60の出力電圧Vb[V]とほぼ等しくなる。また、制御部12は、BMC21の上側のスイッチング素子50Hをオフにし、下側のスイッチング素子50Lをオンにすることで、端子64間を短絡する。なお、以降、適宜、端子64間に電池セル60が電気的接続された状態をBMC21の「オン状態」、端子64間が短絡された状態をBMC21の「オフ状態」と言う。

なお、以上説明したCMC20およびBMC21は、ハーフブリッジを用いた構成であったが、フルブリッジを用いた構成であってもよい。フルブリッジについては、例えば特許文献1の図3に開示がある。フルブリッジを用いた構成とすれば、制御部12によるスイッチングアームの制御により、CMC20の端子62間の電圧を、キャパシタ58の出力電圧Vcを反転した電圧—Vcとすることも可能である。同様に、BMC21の端子64間の電圧を、電池セル60の出力電圧Vbを反転した電圧—Vbとすることも可能である。

<基本動作> 次に、モータシステム10の動作について説明する。図1に示すように、クラスタ18の各々は、CMC20をM(Mは1以上の整数)個、BMC21をN(Nは1以上の整数)個直列接続して構成される。制御部12は、各CMC20と各BMC21のスイッチングアームを制御することで、クラスタ18の端子間の出力電圧をVmin=0[V]から以下の(数1)式に示すVmax[V]まで変化させることができる。

なお、(数1)式におけるVcmはCMC20のそれぞれのキャパシタ電圧であり、VbnはBMC21のそれぞれの電池セル電圧であり、以降の説明においても同じである。Vbnは、ほぼ一定の電圧であるのに対し、Vcmは、キャパシタの電荷チャージ量に応じて大きく変化する電圧である。キャパシタ電圧Vcmは、後述するキャパシタ昇圧制御により調整される。なお、CMC20とBMC21とがフルブリッジで構成されている場合には、クラスタ18の端子間の出力電圧を以下の(数2)式に示すVmin[V]から上記(数1)式に示すVmax[V]まで変化させることができる。

以上のようにM,Nの数によりクラスタ18の最大出力電圧が決まっている。M,Nの数は、三相交流モータ14の駆動に要求される出力電圧等を考慮して決めればよい。

制御部12は、クラスタ18の端子間の出力電圧をVcm[V]またはVbn[V]の単位で変化させる(マルチレベルで変化させる)ことができる。すなわち、クラスタ18は、出力電圧が可変である直流電源とみなせる。制御部12は、三相交流モータ14の駆動運転および回生運転において、オン状態にするCMC20およびオフ状態にするCMC20と、オン状態にするBMC21およびオフ状態にするBMC21とを逐次選択する。これは、要求されるクラスタ18の端子間出力電圧を考慮した上で、そのクラスタ18における各CMC21のキャパシタ電圧Vcm、故障検出状態や、各BMC21の電池セルの充電状態(充電率、SOC:State Of Charge)、劣化度合、故障検出状態等を考慮して、最適な所定個のCMC20とBMC21とを選択するものである。この詳細については後述する。

次に、三相交流モータ14の駆動運転について説明する。制御部12は、三相交流モータ14の駆動要求(要求トルクや要求回転数を含む)に基づいて、CMC20及びBMC21の各々のスイッチングアームを制御して、モータ駆動制御とキャパシタ昇圧制御とを同時に行う。モータ駆動制御は、三相交流モータ14に三相交流電力を供給し三相交流モータ14を駆動するための制御であり、キャパシタ昇圧制御は、CMC20のキャパシタ電圧Vcm(電荷チャージ量)を高めて三相交流モータ14の駆動に必要なクラスタ18の端子間出力電圧を得るための制御である。図3は、モータ駆動制御の電流経路を示す図であり、図4は、キャパシタ昇圧制御の電流経路を示す図である。

図3に示すように、モータ駆動制御における制御電流は、上側の3つのクラスタ18(CSuh,CSvh,CSwh)と三相交流モータ14との間で流れる3つの制御電流Imuv_h,Imuw_h,Imvw_hと、下側の3つのクラスタ18(CSul,CSvl,CSwl)と三相交流モータ14との間で流れる3つの制御電流Imuv_l,Imuw_l,Imvw_lとがある。なお、図3において、同じ識別名を有する制御電流(例えばImuv_h)の電流経路は、三相交流モータ14内を通って循環経路となっている。U,V,W相の駆動電流Imu,Imv,Imwのそれぞれと、6つの制御電流Imuv_h,Imuw_h,Imvw_h,Imuv_l,Imuw_l,Imvw_lとは、以下の(数3)〜(数5)式の関係を有する

Imu=Imuv_h+Imuw_h+Imuv_l+Imuw_l (数3) Imv=Imuv_h+Imvw_h+Imuv_l+Imvw_l (数4) Imw=Imuw_h+Imvw_h+Imuw_l+Imvw_l (数5)

制御部12は、U,V,W相の駆動電流Imu,Imv,Imwが三相交流電流となるように、6つの制御電流を調整する。これは、制御部12が、6つのクラスタ18(CSuh,CSvh,CSwh,CSul,CSvl,CSwl)のそれぞれの端子間出力電圧Vuh,Vvh,Vwh,Vul,Vvl,Vwlを調整することで行われる。すなわち、制御部12は、各クラスタ18において、オン状態にするCMCの数とBMCの数とを調整し、端子間出力電圧を調整する。この際、制御部12は、CMCとBMCとを選択的にオン状態にする。例えば、制御部12は、電池セルの充電状態(充電率)が所定値以上であるBMCを積極的にオン状態にし、キャパシタ電圧Vcmが所定値以上あるCMCを積極的にオン状態にする。なお、これはあくまで一例であり、オン状態にするCMC,BMCの選択基準はその他であることができる。

制御電流Imuv_hに着目した場合、この制御電流は、クラスタCSuhの端子間出力電圧Vuhと、クラスタCSvhの端子間出力電圧Vvhとにより決定される。Vuh=VvhとすればImuv_h=0[A]となり、Vuh

VvhとすればImuv_hは負の電流値(なお、V相においては正の電流値)となり、VuhとVvhとの差が大きくなるほどImuv_hの電流値(絶対値)は大きくなる。他の制御電流も同様である。

次に、キャパシタ昇圧制御について説明する。図4に示すように、キャパシタ昇圧制御における制御電流は、U相の上下のクラスタCSuh,CSulとV相の上下のクラスタCSvh,CSvlとの間で流れるIsuvと、U相の上下のクラスタCSuh,CSulとW相の上下のクラスタCSwh,CSwlとの間で流れるIsuwと、V相の上下のクラスタCSvh,CSvlとW相の上下のクラスタCSwh,CSwlとの間で流れるIsvwとがある。キャパシタ昇圧制御の制御電流Isuv,Isuw,Isvwは、モータ駆動制御の制御電流と同様に、各クラスタ18の出力電圧を調整することで制御される。

例えば、出力電圧(キャパシタ電圧Vcm)を高めたいキャパシタを有するCMC(昇圧したいCMC)がクラスタCSuh,CSul内にある場合、制御電流Isuvを流すことで、クラスタCSvh,CSvl内にあるBMCの電池セルからそのCMCに電力を供給することができる。これは、クラスタCSuh,CSul内の昇圧したいCMCをオン状態にして、クラスタCSvh,CSvl内にあるBMCをオン状態にすることで行える。

キャパシタ昇圧制御により、クラスタ18内のCMCから所定の出力電圧が得られるようになる。それにより、クラスタ18の端子間出力電圧を、クラスタ18内のBMCを全てオン状態にした場合の電圧よりも高い電圧とすることができる。つまり、三相交流モータ14を高電圧で駆動することが可能となる。なお、例えば、三相交流モータ14の要求トルクや要求回転数が低い時には、三相交流モータ14を駆動するための各クラスタ18に求められる出力電圧が低く、各クラスタ18内のBMCだけで十分な出力電圧が得られることも考えられる。その場合には、CMCから所定電圧を出力する必要がないため、キャパシタ昇圧制御が不要になり、全てのCMCをオフ状態に保つ。

以上、モータ駆動制御とキャパシタ昇圧制御について説明したが、これらの制御については、非特許文献1に記載された三相MMIの制御方法を応用したものを適用可能である。

次に、三相交流モータ14が発電機として機能する回生運転について説明する。制御部12には、三相交流モータ14が発電機として機能する際、回生要求が入力される。制御部12は、三相交流モータ14の回生要求に基づいて、各CMC及び各BMCのスイッチングアームを制御して、三相交流モータ14からの回生電力(回生エネルギー)をCMC内のキャパシタに蓄電し、BMC内の電池セルに充電する。三相交流モータ14からの回生電流は、図3に示すモータ駆動制御の制御電流の経路と同じ経路で流れる。制御部12は、各クラスタ18内において、出力電圧(キャパシタ電圧Vcm)を高めたいキャパシタを有するCMCをオン状態にし、充電したい電池セルを有するBMCをオン状態にする。すなわち、制御部12は、選択的にCMCとBMCとをオン状態にする。この際、制御部12は、CMCのキャパシタが所望の出力電圧(キャパシタ電圧Vcm)となるように制御する。

三相交流モータ14の回生運転において、制御部12は、BMCに比べてCMCを優先的にオン状態にすることが好適である。これは、回生電力は、キャパシタに蓄電した方が、電池セルに充電する場合に比べて、損失を少なくできるためである。電池セルは、化学反応を起こして電気を蓄える構造であるため、キャパシタに蓄電する場合に比べて損失が大きい。このように、CMCを優先的にオン状態にすることで、例えば、車両がブレーキをかけた際に回生電力をCMCのキャパシタに蓄電し、その後、車両が加速した際にCMCのキャパシタから駆動電力を供給することができる。これにより、BMCの使用頻度を低下させて効率を高めることができる。また、電池セルの使用頻度が減るので電池セルの劣化を抑制することもできる。

<基本的な作用効果> 次に、本実施形態のモータシステム10の基本的な作用効果について説明する。本実施形態のモータシステム10によれば、バッテリを構成する各電池セルがインバータに組み込まれて一体化され、インバータに組み込まれた各キャパシタにより各クラスタ18の出力電圧を各クラスタ18に含まれる電池セルの総供給電圧から昇圧させた電圧にできる。そのため、従来の昇圧コンバータを省くことができ、モータシステム10を省スペースにすることができる。

従来、電池パック(バッテリ)内には電池スタックを構成する各電池セルの接続回路が形成され、電池パック内、或いは、外に各電池セルを監視、制御するためのコントローラ(電池ECU)が存在した。しかし、本実施形態によれば、従来の各電池セル間の接続回路や電池ECU等を省くことができる。また、バッテリとインバータとが統一された制御部によって一元的に制御される。そのため、さらなるモータシステム10の省スペース化が期待できると共に、制御構成の簡易化も期待できる。

なお、本実施形態のモータシステム10において、各BMCの電池セルのそれぞれの物理的な位置は何ら制限されるものではない。例えば、従来と同様に複数の電池セルが1箇所にまとめられて車両内に配置され、複数の電池セルの各々を図1に示した各BMC21内に配線することが可能である。

また、本実施形態によれば、各クラスタ18の出力電圧を調整できるため、低出力にして高効率でモータ駆動ができると共に、要求トルクや要求回転数が高い場合などには高出力にしてモータ駆動を行うことができる。すなわち、モータ駆動の動作範囲を拡大することができる。また、本実施形態によれば、三相交流電圧をマルチレベルで変化させることができるため、三相交流モータ14の損失を低減でき、ノイズや騒音を低減することができる。さらに、本実施形態によれば、CMCとBMC内のスイッチングアームは低耐圧(例えば電池セルの電圧相当)のものが使えるため、スイッチングアームを安価に構成でき、モータシステム10のコスト低減を期待できる。

<電池セルの充電状態の均一化制御> 次に、各BMC内の電池セルの充電状態の均一化について説明する。三相交流モータ14の駆動運転や回生運転による各電池セルの使用により、各電池セルの充電状態(充電率、SOC)がばらついてくる。これが起こると、ある特定の電池セルだけが劣化が進んだり、故障したりする虞がある。そのため、従来、電池パック内の各電池セルの充電状態を検出し、車両の起動時や停止時などに、各電池セルの充電状態を均一化させる制御が行われている。すなわち、充電率の高い電池セルの電力を抵抗で消費して、充電率が低い電池セルに合わせることが行われている。或いは、充電率が高い電池セルから充電率が低い電池セルへの電力供給が行われている。このような電池セルの充電状態の均一化制御を行うためには、各電池セル間の電力受け渡しのための接続回路等が電池パック内に形成される必要がある。また、車両の起動時や停止時などの所定タイミングだけでは、各電池セルの充電状態が十分に均等化されない虞がある。また、抵抗消費の場合は、損失が大きいという問題がある。本実施形態のモータシステム10によれば、これらの点を効果的に改善することができる。

図5に示すように、本実施形態のモータシステム10に、充電状態検出部36を設ける。充電状態検出部36は、各BMC内の電池セルの充電状態を検出し、その情報を制御部12に送る。制御部12は、その情報を参照して、各々の電池セルの充電状態が均一となるように、各BMC内のスイッチングアームを制御する。すなわち、充電状態を変化させたい(均一化させたい)電池セルを有するBMCをオン状態にする。これを、三相交流モータ14が駆動運転または回生運転している最中に行う。これにより、均一化するタイミングを著しく増やすことができる。また、この実施形態によれば、従来、電池パック内に形成されていた上記した接続回路も不要となる。この充電状態の均一化制御は、前述のキャパシタ昇圧制御と同じ手法で実現できる。

<故障セルの除去制御> 次に、故障セルの除去制御について説明する。従来、電池パック内で電池セルが直列に接続され、ある電池セルが故障すると、その列の電池セルが全て使えなくなる虞があった。それにより、電池パック全体が取り換えになる可能性もあった。また、1つの電池セルが故障しただけで、三相交流モータ14を駆動できなくなり、車両がその場で動けなくなる虞もあった。電池パックによっては、故障した電池セルを除去するための除去回路(正常な電池セルのみの接続回路を形成するための制御回路)を備えるものがある。しかし、除去回路を備えることにより、電池パック内の配線等が複雑になる。本実施形態のモータシステム10は、これらの点を効果的に改善することができる。

図5に示すように、本実施形態のモータシステム10に故障検出部38を設ける。故障検出部38は、各BMC内の電池セルの故障を検出し、各CMC内のキャパシタの故障を検出し、それらの情報を制御部12に送る。制御部12は、その情報を参照して、故障が検出された電池セルを有するBMCと、故障が検出されたキャパシタを有するCMCとを常にオフ状態(短絡状態)とする。これにより、故障が検出されたBMCの電池セル、および、故障が検出されたCMCのキャパシタを容易に不使用とすることができる。本実施形態のモータシステム10によれば、1つ又は数個の電池セル或いはキャパシタが故障しても、他の電池セル及びキャパシタの使用を継続できるため、車両の走行に支障を生じることがない。このようにモータシステム10の信頼性を向上することができる。また、修理時は、故障した電池セル、或いは、キャパシタを取り換えるだけで済む。さらに、この実施形態によれば、従来、電池パック内に形成されていた上記した除去回路を設ける必要もない。

従来の電池パックの構成では、1つの電池セルの故障による代償が大きい。そのため、従来、電池パックを製造する際に、品質の高い電池セルを集めて、品質の悪い電池セルを使わない。また、品質を確認するための検査時間も多くかかっている。そのため、電池パックの製造歩留まりが悪く、電池パックの値段が高い。しかし、上記したように、本実施形態によれば、故障した電池セルを容易に不使用とすることができ、1つ又は数個の電池セルが故障しても車両の走行に支障を生じることがない。そのため、品質の若干悪い電池セルであっても採用することができる。これにより、電池セルの歩留まりを高くすることができ、電池コストを低くすることが可能である。また、劣化がある程度進んだ中古の電池セルを採用することも可能である。

<システム終了時のエネルギー回収> 次に、システム終了時のエネルギー回収について説明する。車両が走行した後、イグニッションスイッチ(メインスイッチ)がオフにされる時点(モータシステム10の終了時点)では、各CMCのキャパシタに電気が蓄電された状態となっている可能性が高い。そこで、制御部12は、モータシステム10の終了時に、各CMCと各BMCのスイッチングアームを制御して、CMCのキャパシタに蓄えられているエネルギーを、BMCの電池セルに移すようにしてもよい。これは、イグニッションスイッチのオフ時だけでなく、三相交流モータ14の運転が終了するたび(例えば車両が停止するたび等)に行ってもよい。このようにすれば、エネルギー効率を高めることができる。

<外部電源による電池セルの充電> 次に、外部電源による各BMCの電池セルの充電について説明する。本実施形態のモータシステム10は、外部電源を接続することで各BMCの電池セルを充電することが可能である。図6に示すように、U,V,W相の各スタック16の共通接続点26の間に外部直流電源28を接続することで、モータシステム10が外部充電状態となる。外部直流電源28は、例えばCHAdeMO(500[V])等の急速充電器である。外部直流電源28に代えて、外部交流電源(家庭用電源の100[V]或いは200[V]等)を整流した電源を、共通接続点26の間に接続してもよい。例えば、共通接続点26の間に、モータシステム10の一部として図7に示すような三相フルブリッジ整流回路34を予め接続しておく。そして、図7に示すように、外部三相交流電源30を三相フルブリッジ整流回路34に接続すればよい。或いは、図8に示すように、外部単相交流電源32を三相フルブリッジ整流回路34のうち2相を利用する形態で接続すればよい。なお、図8に示す外部単相交流電源32の場合には、単相フルブリッジ整流回路を用いる構成でもよい。

図6に示すように、モータシステム10が外部充電状態となった際には、U相のスタック16に充電電流Ichguが流れ、同様に、V,W相のスタック16の各々に充電電流Ichgv,Ichgwが流れる。制御部12は、充電電流Ichgu,Ichgv,Ichgwを、各クラスタ18内のCMCとBMCを選択的にオン状態、オフ状態にすることで調整する。また、充電対象の電池セルを有するBMCをオン状態にする。

制御部12は、外部直流電源28の電源電圧Vchgに対して、各相のスタック16の出力電圧を調整し、充電電流Ichgu,Ichgv,Ichgwを調整する。例えば、1相のスタック16を構成する2つのクラスタ18(例えばCSuh,CSul)の中の全BMCをオン状態にした時のスタック16の出力電圧(以下、「BMCの総直列電圧」と言う)が、外部直流電源28の電源電圧Vchgより小さい場合には、スタック16に大きな充電電流が流れる虞がある。この場合には、所定個のCMCをオン状態にして、キャパシタを間に入れることで、充電電流を抑制することができる。一方、BMCの総直列電圧が、外部直流電源28の電源電圧Vchgより大きい場合には、1相のスタック16を構成する2つのクラスタ18(例えばCSuh,CSul)の中のオン状態にするBMCの数を調整することで、スタック16に十分な充電電流が流れる。また、制御部12は、各電池セルの充電状態(充電率)に応じて、各BMCのオン状態とオフ状態とを切換える。

従来、このような外部電源によるバッテリの充電には、充電制御器(充電コントローラ)が必要であった。接続される外部電源のそれぞれに応じた(外部電源の電源電圧のそれぞれに応じた)充電制御器を車両に搭載する必要があった。そして、充電制御器により、各電池セルの充電状態に応じて各電池セルに流す充電電流を制御する必要があった。しかし、本実施形態のモータシステム10は、上記したように、制御部12がCMCとBMCのスイッチングアームを制御することで、充電電流を制御することが可能である。それにより、別途、充電制御器を車両に搭載する必要がなく、充電制御器の搭載スペースやコストを省くことができる。

なお、外部充電の際には、三相交流モータ14の端子24に電流が流れないように制御すれば、三相交流モータ14にモータトルクが発生することはない。また、三相交流モータ14の端子24と、U,V,W相のリアクトル22のセンタータップとの間にスイッチを設けて、外部充電している間はそのスイッチをオフとすることで、三相交流モータ14のモータトルク発生を確実に防止することもできる。

<付記> 以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

10 モータシステム、12 制御部、14 三相交流モータ(モータ,多相交流モータ)、16 スタック、18 クラスタ、20 キャパシタ基本モジュール回路(CMC)、21 電池セル基本モジュール回路(BMC)、22 リアクトル(センタータップ付リアクトル)、24 端子、26 共通接続点、28 外部直流電源、30 外部三相交流電源、32 外部単相交流電源、34 三相フルブリッジ整流回路、36 充電状態検出部、38 故障検出部、50H,50L スイッチング素子、52H,52L ダイオード、54H,54L スイッチングアーム、56 レグ(ハーフブリッジ)、58 キャパシタ、60 電池セル、62,64 端子。