JP6348424B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

従来、車両に搭載されたモータを制御する車載電子制御装置が知られている。例えば特許文献１では、車両の衝突等によりモータが損傷を受けた場合、モータの駆動を停止する。

特開２００９−２５４１１９号公報

例えばモータが車両補機への給電を行う補機電源を充電可能なオルタネータとして機能する場合、特許文献１のように、モータの異常検出時にモータの駆動を停止すると、補機電源の充電を行うことができなくなるため、補機電源の電圧が低下すると、車両の走行を継続できない虞がある。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転電機の巻線に地絡異常が生じた場合であっても、回転電機が適用されるシステムの機能を維持可能である電力変換装置を提供することにある。

本発明の電力変換装置は、複数相の巻線を有する回転電機の電力を変換するものであって、第１インバータと、第２インバータと、リレーと、制御部と、を備える。
第１インバータは、巻線の各相に対応して設けられる第１上アーム素子、および、第１上アーム素子の低電位側に接続される第１下アーム素子を有し、巻線の一端およびグランドと接続される第１電圧源に接続される。
第２インバータは、巻線の各相に対応して設けられる第２上アーム素子、および、第２上アーム素子の低電位側に接続される第２下アーム素子を有し、巻線の他端およびグランドと非接続である第２電圧源に接続される。
リレーは、第１インバータの低電位側と第１電圧源との間に設けられる。

制御部は、インバータ制御手段、リレー制御手段、および、地絡検出手段を有する。
インバータ制御手段は、第１インバータおよび第２インバータを制御する。リレー制御手段は、リレーの開閉を制御する。地絡検出手段は、巻線の地絡を検出する。
巻線の地絡が検出された場合、リレー制御手段はリレーを開とし、インバータ制御手段は電力要求に応じて第１インバータおよび第２インバータを制御する。

本発明では、接地される第１電圧源の低電位側に設けられるリレーを開とすることで、巻線に地絡が発生した場合に地絡電流が流れるのを防ぐことができる。
また本発明では、巻線の両側にインバータが設けられているので、リレーが開の状態にて、電力要求に応じて第１インバータおよび第２インバータを制御することで、地絡異常が生じた場合であっても、回転電機が適用されるシステムの機能を維持可能である。

本発明の一実施形態による補機駆動システムを示す概略構成図である。 本発明の一実施形態による第１片側駆動動作を説明する説明図である。 本発明の一実施形態による第２片側駆動動作を説明する説明図である。 本発明の一実施形態による反転駆動動作を説明する説明図である。 本発明の一実施形態による同相駆動動作を説明する説明図である。 本発明の一実施形態のＷ相コイルが地絡した場合の地絡電流を説明する説明図である。 本発明の一実施形態による地絡時制御処理を説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態による地絡時放電駆動を説明する説明図である。 本発明の一実施形態による地絡時充電駆動を説明する説明図である。 本発明の一実施形態による地絡時充電駆動時のスイッチング素子のオンオフ状態および充電電流を説明する説明図である。

以下、本発明による電力変換装置を図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
本発明の一実施形態による電力変換装置を図１〜図１０に基づいて説明する。
図１に示すように、回転電機駆動システム５は、図示しない車両に搭載される補機駆動システム１に適用される。補機駆動システム１は、回転電機駆動システム５、第１電圧電としての第１電源４１、第２電圧源としての第２電源４２、および、負荷５８等を備える。

回転電機駆動システム５は、電力変換装置６、および、回転電機としてのモータジェネレータ１０を備える。
モータジェネレータ１０は、３相交流の回転機である。本実施形態のモータジェネレータ１０は、エンジン９０と接続され、第１電源４１および第２電源４２の電力によって駆動されることでエンジン９０を始動させるスタータとしての機能、および、エンジン９０から伝わる運動エネルギによって駆動されて発電するオルタネータとしての機能を併せ持つＩＳＧ（Integrated Starter Generator）である。

モータジェネレータ１０は、Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１２、および、Ｗ相コイル１３を有する。Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１２およびＷ相コイル１３が「巻線」に対応する。以下適宜、Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１２およびＷ相コイル１３を「コイル１１〜１３」という。コイル１１〜１３は、図示しないステータコアに巻回される。

電力変換装置６は、モータジェネレータ１０の電力を変換するものであって、第１インバータ２０、第２インバータ３０、電流センサ５１〜５３、高電位側リレー５６、低電位側リレー５７、第１制御部６１、および、第２制御部６６等を備える。
第１インバータ２０は、コイル１１〜１３への通電を切り替える３相インバータであり、６つのスイッチング素子であるＵ１上アーム素子２１、Ｖ１上アーム素子２２、Ｗ１上アーム素子２３、Ｕ１下アーム素子２４、Ｖ１下アーム素子２５、および、Ｗ１下アーム素子２６を有する。以下適宜、Ｕ１上アーム素子２１、Ｖ１上アーム素子２２、Ｗ１上アーム素子２３、Ｕ１下アーム素子２４、Ｖ１下アーム素子２５、および、Ｗ１下アーム素子２６を「（第１）スイッチング素子２１〜２６」という。

Ｕ１上アーム素子２１はＵ１下アーム素子２４の高電位側に接続され、Ｖ１上アーム素子はＶ１下アーム素子２５の高電位側に接続され、Ｗ１上アーム素子２３は、Ｗ１下アーム素子２６の高電位側に接続される。以下適宜、高電位側に接続されるＵ１上アーム素子２１、Ｖ１上アーム素子２２、および、Ｗ１上アーム素子２３を「第１上アーム素子２１〜２３」、低電位側に接続されるＵ１下アーム素子２４、Ｖ１下アーム素子２５、および、Ｗ１下アーム素子２６を「第１下アーム素子２４〜２６」という。

第１インバータ２０は、コイル１１、１２、１３の一端１１１、１２１、１３１と第１電源４１との間に接続される。具体的には、Ｕ１上アーム素子２１とＵ１下アーム素子２４との接続点２７がＵ相コイル１１の一端１１１に接続され、Ｖ１上アーム素子２２とＶ１下アーム素子２５の接続点２８がＶ相コイル１２の一端１２１に接続され、Ｗ１上アーム素子２３とＷ１下アーム素子２６との接続点２９がＷ相コイル１３の一端１３１に接続される。また、第１上アーム素子２１〜２３の高電位側を接続する高電位側配線４６が第１電源４１の正極と接続され、第１下アーム素子２４〜２６の低電位側を接続する低電位側配線４７が第１電源４１の負極と接続される。

第２インバータ３０は、コイル１１〜１３への通電を切り替える３相インバータであり、６つのスイッチング素子であるＵ２上アーム素子３１、Ｖ２上アーム素子３２、Ｗ２上アーム素子３３、Ｕ２下アーム素子３４、Ｖ２下アーム素子３５、および、Ｗ２下アーム素子３６を有する。以下適宜、Ｕ２上アーム素子３１、Ｖ２上アーム素子３２、Ｗ２上アーム素子３３、Ｕ２下アーム素子３４、Ｖ２下アーム素子３５、および、Ｗ２下アーム素子３６を「（第２）スイッチング素子３１〜３６」という。

Ｕ２上アーム素子３１はＵ２下アーム素子３４の高電位側に接続され、Ｖ２上アーム素子３２はＶ２下アーム素子３５の高電位側に接続され、Ｗ２上アーム素子３３はＷ２下アーム素子３６の高電位側に接続される。以下適宜、高電位側に接続されるＵ２上アーム素子３１、Ｖ２上アーム素子３２およびＷ２上アーム素子３３を「第２上アーム素子３１〜３３」、低電位側に接続されるＵ２下アーム素子３４、Ｖ２下アーム素子３５およびＷ２下アーム素子３６を「第２下アーム素子３４〜３６」という。

第２インバータ３０は、コイル１１、１２、１３の他端１１２、１２２、１３２と第２電源４２との間に接続される。具体的には、Ｕ２上アーム素子３１とＵ２下アーム素子３４との接続点３７がＵ相コイル１１の他端１１２に接続され、Ｖ２上アーム素子３２とＶ２下アーム素子３５との接続点３８がＶ相コイル１２の他端１２２に接続され、Ｗ２上アーム素子３３とＷ２下アーム素子３６との接続点３９がＷ相コイル１３の他端１３２に接続される。また、第２上アーム素子３１〜３３の高電位側を接続する高電位側配線４８が第２電源４２の正極と接続され、第２下アーム素子３４〜３６の低電位側を接続する低電位側配線４９が第２電源４２の負極と接続される。
このように、本実施形態では、第１インバータ２０および第２インバータ３０がコイル１１〜１３の両側に接続される。
本実施形態では、スイッチング素子２１〜２６、３１〜３６は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であるが、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）やその他の素子を用いてもよい。

第１電源４１は、充放電可能な直流電源であり、第１インバータ２０と接続され、第１インバータ２０を経由してモータジェネレータ１０と電力を授受可能に設けられる。また、第１電源４１は、負荷５８と接続され、負荷５８に給電可能である。本実施形態の第１電源４１は、１２［Ｖ］の鉛蓄電池である。

第２電源４２は、充放電可能な直流電源であり、第２インバータ３０と接続され、第２インバータ３０を経由してモータジェネレータ１０と電力を授受可能に設けられる。本実施形態の第２電源４２は、４８［Ｖ］のリチウム蓄電池である。
本実施形態では、第１電源４１の電圧を第１電源電圧Ｖｂ１とし、第２電源４２の電圧を第２電源電圧Ｖｂ２とする。また、本実施形態では、第１電源４１は、第２電源４２より高容量であり、第２電源４２は、第１電源４１より高出力である。

第１コンデンサ４３は、第１電源４１から第１インバータ２０側への電流、または、第１インバータ２０から第１電源４１側への電流を平滑化する平滑コンデンサである。
第２コンデンサ４４は、第２電源４２から第２インバータ３０側への電流、または、第２インバータ３０側から第２電源４２側への電流を平滑化する平滑コンデンサである。

Ｕ相電流センサ５１は、Ｕ相コイル１１に通電される電流であるＵ相電流Ｉｕを検出する。Ｖ相電流センサ５２は、Ｖ相コイル１２に通電される電流であるＶ相電流Ｉｖを検出する。Ｗ相電流センサ５３は、Ｗ相コイル１３に流れる電流であるＷ相電流Ｉｗを検出うする。電流センサ５１、５２、５３は、例えばホールＩＣにより構成され、第１インバータ２０とコイル１１〜１３との間に設けられる。以下、電流センサ５１、５２、５３により検出されるＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、および、Ｗ相電流Ｉｗに係る検出値を、「電流検出値Ｉｕ＿ｓ、Ｉｖ＿ｓ、Ｉｗ＿ｓ」という。

高電位側リレー５６は、第１電源４１の正極と第１インバータ２０との間に設けられ、第１電源４１と第１インバータ２０との間の電流の導通および遮断を切り替え可能である。
低電位側リレー５７は、第１電源４１の負極と第１インバータ２０との間に設けられ、第１電源４１と第１インバータ２０との間の電流の導通および遮断を切り替え可能である。また、低電位側リレー５７は、コイル１１〜１３および第１インバータ２０と、グランドとの間の電流の導通および遮断を切り替え可能である、と捉えることもできる。本実施形態では、低電位側リレー５７が「リレー」に対応する。
高電位側リレー５６および低電位側リレー５７は、スイッチング素子２１等と同様のＩＧＢＴ等の半導体素子であってもよいし、メカリレーであってもよい。

負荷５８は、第１電源４１の電力が供給される定電圧負荷である。負荷５８は、例えば図示しないアクセサリ電源を経由して第１電源４１の電力が供給される補機類や電装品等を含む。すなわち、本実施形態の第１電源４１は、補機電源として機能する。少なくとも一部の負荷５８のマイナス端子は、図示しない車体に接続されることで、接地される。したがって、第１電源４１は、車体を経由してグランドと接続される。一方、第２電源４２は、車体とは絶縁されており、グランドと接続されていない。

第１制御部６１は、第１インバータ制御部６２、リレー制御部６３、第１充電判定部６４、および、異常検出部６５を有する。第２制御部６６は、第２インバータ制御部６７、および、第２充電判定部６８を有する。
第１制御部６１および第２制御部６６は、いずれも通常のコンピュータ等として構成されており、内部にはＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、および、これらの構成を接続するバスライン等を備える。第１制御部６１および第２制御部６６における各処理は、予め記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理であってもよいし、専用の電子回路によるハードウェア処理であってもよい。なお、煩雑になることを避けるため、第１制御部６１および第２制御部６６に係る制御線を適宜省略した。

第１インバータ制御部６２は、モータジェネレータ１０の駆動要求、第１電源４１および第２電源４２の充電要求、ならびに、負荷５８の給電要求等に基づき、第１インバータ２０を制御する。本実施形態では、モータジェネレータ１０の駆動要求、第１電源４１および第２電源４２の充電要求、ならびに、負荷５８の給電要求を、「電力要求」とする。
詳細には、第１インバータ制御部６２は、電力要求に応じた駆動動作となるように、第１スイッチング素子２１〜２６のオンオフ作動を制御する第１制御信号を生成し、第１スイッチング素子２１〜２６のゲートに出力する。

リレー制御部６３は、高電位側リレー５６および低電位側リレー５７の開閉を制御する。
第１充電判定部６４は、第１電源４１の充電状態を判定する。本実施形態では、第１電源４１は、第１電源電圧Ｖｂ１が充電判定電圧Ｖｂ０以上となるように制御される。
異常検出部６５は、回転電機駆動システム５の異常を判定する。本実施形態では、例えば、電流センサ５１〜５３により検出される電流検出値Ｉｕ＿ｓ、Ｉｖ＿ｓ、Ｉｗ＿ｓと電流指令値Ｉｕ^*、Ｉｖ^*、Ｉｗ^*とを比較し、コイル１１〜１３がグランドと短絡する地絡異常が生じているか否かを判定する。また、異常検出部６５は、コイル１１〜１３のいずれかが地絡している場合、地絡相を特定する。なお、地絡異常には、コイル１１〜１３のいずれかとグランドとが完全に導通している状態に限らず、絶縁されているコイル１１〜１３とグランドとの間にて通電が許容されているような状態を含む。

第２インバータ制御部６７は、電力要求に基づき、第２インバータ３０を制御する。詳細には、第２インバータ制御部６７は、電力要求に応じた駆動動作となるように、第２スイッチング素子３１〜３６のオンオフ作動を制御する第２制御信号を生成し、第２スイッチング素子３１〜３６のゲートに出力する。
第２充電判定部６８は、第２電源４２の充電状態を判定する。

ここで、正常時における回転電機駆動システム５の動作について、図２〜図５に基づいて説明する。図２等において、オンされるスイッチング素子を実線、オフされるスイッチング素子を破線で示す。また、図２等において、エンジン９０、および、制御部６１、６６等の記載を適宜省略した。なお、回転電機駆動システム５が起動しているとき、異常が生じていなければ、リレー制御部６３は、高電位側リレー５６および低電位側リレー５７を閉にする。第１インバータ２０を中性点化する場合には、高電位側リレー５６および低電位側リレー５７を開としてもよい。
まず、第１電源４１および第２電源４２の少なくとも一方の電力を用いてモータジェネレータ１０を駆動する場合を説明する。

（１）第１片側駆動動作
第１電源４１の電力によりモータジェネレータ１０を駆動する場合、第１インバータ２０および第２インバータ３０を第１片側駆動動作とする。第１片側駆動動作では、図２に示すように、第２上アーム素子３１〜３３の全相、または、第２下アーム素子３４〜３６の一方をオン、他方をオフすることで、第２インバータ３０を中性点化する。なお、熱損失の偏りを低減すべく、第２上アーム素子３１〜３３がオンされる状態と、第２下アーム素子３４〜３６がオンされる状態とを適宜切り替えるようにしてもよい。
また、電力要求に応じ、ＰＷＭ制御等により第１インバータ２０を制御する。

図２に示す例では、Ｕ１上アーム素子２１、Ｖ１下アーム素子２５、Ｗ１下アーム素子２６、および、第２上アーム素子３１〜３３がオンされる。このとき、図２中に矢印Ｙ１１に示す経路の電流が流れ、モータジェネレータ１０には、パルスの高さが第１電源電圧Ｖｂ１の駆動電圧が印加される。
また、矢印ＹＬ１で示すように、負荷５８には第１電源４１から電力が供給される。後述する第２片側駆動動作、および、反転駆動動作においても同様である。

（２）第２片側駆動動作
第２電源４２の電力によりモータジェネレータ１０を駆動する場合、第１インバータ２０および第２インバータ３０を第２片側駆動動作とする。第２片側駆動動作では、図３に示すように、第１上アーム素子２１〜２３の全相、または、第１下アーム素子２４〜２６の全相の一方をオン、他方をオフすることで、第１インバータ２０を中性点化する。なお、熱損失の偏りを低減すべく、第１上アーム素子２１〜２３がオンされる状態と、第１下アーム素子２４〜２６がオンされる状態とを適宜切り替えるようにしてもよい。後述する地絡時放電駆動時についても同様である。
また、電力要求に応じ、ＰＷＭ制御等により第２インバータ３０を制御する。
片側駆動動作において、中性点化されない側の第１インバータ２０および第２インバータ３０の制御方法は、ＰＷＭ制御に限らず、どのような制御方法としてもよい。後述する他の駆動動作においても同様である。

図３に示す例では、第１上アーム素子２１〜２３、Ｕ２上アーム素子３１、Ｖ２下アーム素子３５、および、Ｗ２下アーム素子３６がオンされる。このとき、図３中に矢印Ｙ１２に示す経路の電流が流れ、モータジェネレータ１０には、パルスの高さが第２電源電圧Ｖｂ２である駆動電圧が印加される。

（３）反転駆動動作
第１電源４１および第２電源４２の電力によりモータジェネレータ１０を駆動する場合、第１インバータ２０および第２インバータ３０を反転駆動動作とする。反転駆動動作では、電力要求に応じた第１基本波Ｆ１に基づいて第１インバータ２０の駆動を制御し、電力要求に応じた第２基本波Ｆ２に基づいて第２インバータ３０の駆動を制御する。

本実施形態では、第１制御部６１が第１インバータ２０の電圧指令に応じた第１基本波Ｆ１とキャリア波との比較により第１制御信号を生成し、第２制御部６６が第２インバータ３０の電圧指令に応じた第２基本波Ｆ２とキャリア波との比較により第２制御信号を生成するものとする。反転駆動動作において、第１基本波Ｆ１と第２基本波Ｆ２とは、位相が反転される。換言すると、第１基本波Ｆ１と第２基本波Ｆ２とは、位相が略１８０［°］ずれている。なお、第１基本波Ｆ１と第２基本波Ｆ２との位相差は、１８０［°］であるが、第１電源電圧Ｖｂ１と第２電源電圧Ｖｂ２との和に相当する電圧をモータジェネレータ１０に印加可能な程度のずれは許容される。

第１基本波Ｆ１および第２基本波Ｆ２の振幅および波形が等しい場合、各相にてオンされる素子が第１インバータ２０と第２インバータ３０とで上下反対となる。図４に示す例では、Ｕ１上アーム素子２１、Ｖ１下アーム素子２５、Ｗ１下アーム素子２６、Ｖ２上アーム素子３２、Ｗ２上アーム素子３３、および、Ｕ２下アーム素子３４がオンされ、矢印Ｙ１３で示す経路の電流が流れる。このとき、モータジェネレータ１０には、パルスの高さが第１電源電圧Ｖｂ１と第２電源電圧Ｖｂ２の和に相当する電圧（すなわちＶｂ１＋Ｖｂ２）が駆動電圧として印加される。

なお、第１基本波Ｆ１および第２基本波Ｆ２は、振幅が等しくてもよいし、異なっていてもよい。また、第１基本波Ｆ１および第２基本波Ｆ２は、いずれも正弦波である場合のように同様の波形であってもよいし、例えば第１インバータ２０または第２インバータ３０の一方を正弦波ＰＷＭ制御し、他方を過変調ＰＷＭ制御するといった場合のように、波形が異なっていてもよい。また、振幅を無限大とみなし、基本波Ｆ１、Ｆ２の半周期ごとにオンオフが切り替えられる矩形波制御としてもよい。矩形波制御は、１８０度通電制御ともいえる。また、矩形波制御に替えて、基本波Ｆ１、Ｆ２に基づく１２０度通電制御としてもよい。１８０度通電制御または１２０度通電制御では、スイッチング回数が低減されるので、スイッチング損失を低減することができる。後述する同相駆動動作の場合も同様である。
なお、反転駆動動作にて、振幅や波形が異なる場合、各相にてオンされる素子は、第１インバータ２０と第２インバータ３０とで、必ずしも上下反対にならない。

本実施形態では、モータジェネレータ１０はＩＳＧであって、エンジン９０のスタータとして機能する。そのため、アイドルストップからの復帰時や冷間始動時等の高出力動作が必要な場合、第１インバータ２０および第２インバータ３０を反転駆動動作させ、第１電源４１および第２電源４２からの電力をモータジェネレータ１０へ供給可能であるので、モータジェネレータ１０の出力を高めることができる。

（４）同相駆動動作
同相駆動動作において、第１基本波Ｆ１と第２基本波Ｆ２とは、同位相とする。同相駆動動作では、第１基本波Ｆ１と第２基本波Ｆ２の位相差は０［°］であるが、第１電源電圧Ｖｂ１と第２電源電圧Ｖｂ２との差に相当する電圧をモータジェネレータ１０に印加可能な程度のずれは許容される。
第１基本波Ｆ１および第２基本波Ｆ２の振幅および波形が等しい場合、各相にてオンされる素子が第１インバータ２０と第２インバータ３０とで上下同じとなる。図５に示す例では、Ｕ１上アーム素子２１、Ｖ１下アーム素子２５、Ｗ１下アーム素子２６、Ｕ２上アーム素子３１、Ｖ２下アーム素子３５、および、Ｗ２下アーム素子３６がオンされ、矢印Ｙ１４で示す経路の電流が流れる。

このとき、モータジェネレータ１０には、第１電源電圧Ｖｂ１と第２電源電圧Ｖｂ２との差に相当する電圧が駆動電圧として印加され、電圧が低い方の電源が高い方の電源の電力により充電される。本実施形態では、第２電源電圧Ｖｂ２が第１電源電圧Ｖｂ１より大きいので、モータジェネレータ１０には、パルスの高さが（Ｖｂ２−Ｖｂ１）に相当する電圧が駆動電圧として印加され、第２電源４２の電力により第１電源４１が充電される。また、負荷５８には、第２電源４２から電力が供給される。

なお、同相駆動動作にて、振幅や波形が異なる場合、各相にてオンされる素子は、第１インバータ２０と第２インバータ３０とで、必ずしも上下同じにならない。
同相駆動動作は、第１電源４１の充電を伴うため、第１電源４１のＳＯＣが上限値に近く、第１電源４１を充電できない場合には実行されない。

モータジェネレータ１０を駆動するとき、駆動電圧が低いほど、損失が小さい。そのため、要求される回転数およびトルクを実現可能な駆動動作のうち、駆動電圧が最も小さい駆動動作を選択することが望ましい。
なお、第１電源電圧Ｖｂ１と第２電源電圧Ｖｂ２とが等しい場合、第１片側駆動動作にてモータジェネレータ１０に印加される駆動電圧と、第２片側駆動動作にてモータジェネレータ１０に印加される駆動電圧とは等しい。この場合、例えばスイッチング素子２１〜２６、３１〜３６の熱損失等に応じ、第１片側駆動動作と第２片側駆動動作とを適宜切り替えるようにしてもよい。

次に、モータジェネレータ１０がエンジン９０により駆動されて発電が行われる場合の第１インバータ２０および第２インバータ３０の動作について説明する。
第１インバータ２０および第２インバータ３０を第１片側駆動動作とし、第２インバータ３０を中性点化し、第１インバータ２０をモータジェネレータ１０の発電電力に基づいて回生動作させる。これにより、図２の矢印Ｙ１１と反対方向の電流が流れ、モータジェネレータ１０の発電電力により第１電源４１が充電されるとともに、モータジェネレータ１０の発電電力が負荷５８に給電される。

また、第１インバータ２０および第２インバータ３０を第２片側駆動動作とし、第１インバータ２０を中性点化し、第２インバータ３０をモータジェネレータ１０の発電電力に基づいて回生動作させる。これにより、図３の矢印Ｙ１２と反対方向の電流が流れ、第２電源４２が充電される。

次に、コイル１１〜１３が地絡した場合について説明する。
コイル１１〜１３は、製造過程や経時劣化等により、コイル１１〜１３の皮膜が破損して絶縁不良が生じ、例えばコイル１１〜１３とステータコアとが導通すると、ステータコアを経由してコイル１１〜１３とグランドとが導通する地絡異常が生じる。本実施形態では、第１電源４１は、負荷５８と接続されており、接地されている。そのため、図６中に記号Ｓ１で示すようにＷ相コイル１３が地絡している状態にてエンジン９０のエネルギや回生エネルギ等の外力によりモータジェネレータ１０が回転すると、矢印ＹＳ１で示すように、グランドを経由して地絡電流が流れる。地絡電流が流れると、Ｗ相コイル１３の発熱や損傷等により、モータジェネレータ１０が駆動できなくなる虞がある。Ｕ相コイル１１またはＶ相コイル１２が地絡した場合についても同様である。

本実施形態のように、回転電機駆動システム５が補機駆動システム１に適用されている場合、車両走行中においては、地絡異常が生じていたとしても一時的な走行機能を確保すべく、モータジェネレータ１０へのダメージを抑えた状態にてモータジェネレータ１０の駆動を継続し、負荷５８への給電を継続することが望ましい。

そこで本実施形態では、負荷５８への給電を継続すべく、第１電源４１の充電状態を適切に制御する。本実施形態の地絡時制御処理を図７に示すフローチャートに基づいて説明する。地絡時制御処理は、所定の周期で実行される。本実施形態では、ステップＳ１０１（以下、「ステップ」を省略し、単に記号「Ｓ」と記す。）およびＳ１０５の処理が第１充電判定部６４にて行われ、Ｓ１０２およびＳ１０３の処理が異常検出部６５にて行われ、Ｓ１０４、Ｓ１０６およびＳ１０７の処理が第１インバータ制御部６２および第２インバータ制御部６７、ならびに、リレー制御部６３にて行われる。
以下、Ｗ相コイル１３が地絡しているものとし、Ｗ相を「地絡相」、地絡していないＵ相およびＶ相を「正常相」とする。

Ｓ１０１では、第１電源４１の充電判定電圧Ｖｂ０を読み込む。充電判定電圧Ｖｂ０は、第１電源４１の充電要否の判定に係る閾値であって、第１電源電圧Ｖｂ１が充電判定電圧Ｖｂ０未満である場合、第１電源４１の充電が必要であると判定する。
Ｓ１０２では、電流センサ５１〜５３により検出される各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ等に基づき、コイル１１〜１３の地絡判定を行う。コイル１１〜１３に地絡が生じている場合、地絡が生じている相の特定を併せて行う。

Ｓ１０３では、コイル１１〜１３のいずれかに地絡が発生しているか否かを判断する。コイル１１〜１３のいずれかに地絡が発生していると判断された場合（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、Ｓ１０５へ移行する。コイル１１〜１３に地絡が発生していないと判断された場合（Ｓ１０３：ＮＯ）、Ｓ１０４へ移行する。
Ｓ１０４では、第１インバータ２０および第２インバータ３０を通常駆動とする。通常駆動では、上述の通り、電力要求に応じ、片側駆動動作、反転駆動動作、または、同相駆動動作となるように、第１インバータ２０および第２インバータ３０を制御する。

コイル１１〜１３のいずれかに地絡が発生していると判断された場合（Ｓ１０３：ＹＥＳ）に移行するＳ１０５では、第１電源電圧Ｖｂ１が、充電判定電圧Ｖｂ０より大きいか否かを判断する。第１電源電圧Ｖｂ１が充電判定電圧Ｖｂ０以下であると判断された場合（Ｓ１０５：ＮＯ）、第１電源４１の充電要求があると判定され、Ｓ１０７へ移行する。第１電源電圧Ｖｂ１が充電判定電圧Ｖｂ０より大きいと判断された場合（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、第１電源４１の充電要求がないと判定され、Ｓ１０６へ移行する。

Ｓ１０６では、第１電源４１の地絡時放電駆動とする。
図８に示すように、地絡時放電駆動では、リレー制御部６３は、高電位側リレー５６および低電位側リレー５７を開にする。また、インバータ制御部６２、６７は、第１インバータ２０側を中性点化し、電力要求に応じて第２インバータ３０を制御する。モータジェネレータ１０がエンジン９０により駆動されて発電機として機能する場合、例えば、第１下アーム素子２４〜２６、Ｕ２上アーム素子３１、Ｖ２下アーム素子３５、および、Ｗ２下アーム素子３６がオンされているとき、矢印ＹＤ１で示す経路の電流が流れることで、第２電源４２が充電される。
また、負荷５８には、第１電源４１から電力が供給される。

第１電源電圧Ｖｂ１が充電判定電圧Ｖｂ０以下であると判断された場合（Ｓ１０５：ＮＯ）に移行するＳ１０７では、第１電源４１の地絡時充電駆動とする。
図９に示すように、地絡時充電駆動では、リレー制御部６３は、高電位側リレー５６を閉、低電位側リレー５７を開とする。

インバータ制御部６２、６７は、スイッチング素子２１〜２６、３１〜３６のオンオフ作動を制御する。具体的には、図９および図１０に示すように、グランドに接続されていない側のインバータである第２インバータ３０の短絡相（図９、図１０の例ではＷ相）の下アーム素子３６をオンにする。また、正常相（図９、図１０の例ではＵ相）の第１上アーム素子２１または第２上アーム素子３１の一方をオン、他方を第１電源４１の充電要求、負荷５８の給電要求および電位差等に応じてオンオフを切り替えるスイッチング制御とする。図１０に示すように、本実施形態では、Ｕ２上アーム素子３１をオンし、Ｕ１上アーム素子２１をスイッチング制御している。

図１０（ｃ）および図９中に矢印ＹＣ１で示すように、Ｕ１上アーム素子２１のオンオフに応じた充電電流が流れることで、第１電源４１が充電されるとともに、負荷５８への給電が行われる。地絡時充電駆動では、図９に示すように、地絡箇所を利用して充電を行うため、長期間に亘って地絡時充電駆動が行われると、発熱や地絡箇所の損傷状態の悪化に繋がる虞がある。そのため、例えば地絡時充電駆動の継続期間が所定期間を超えた場合、地絡時充電駆動を中止する等、一時的な退避モードとして用いることが好ましい。

本実施形態のモータジェネレータ１０はＩＳＧであり、図示しないロータに設けられる界磁巻線に通電することでロータに磁極が発生する構成となっている。そのため、地絡時充電駆動を行っても、界磁巻線に通電しなければ、多少のブレーキトルクが発生する可能性があるものの、地絡時充電駆動に支障はない。
なお、地絡時充電駆動中において、モータジェネレータ１０は回転していてもよいし、停止していてもよい。

以上詳述したように、本実施形態の電力変換装置６は、複数相のコイル１１、１２、１３を有するモータジェネレータ１０の電力を変換するものであって、第１インバータ２０と、第２インバータ３０と、低電位側リレー５７と、第１制御部６１および第２制御部６６と、を有する。
第１インバータ２０は、第１上アーム素子２１〜２３、および、第１下アーム素子２４〜２６を有し、コイル１１、１２、１３の一端１１１、１２１、１３１およびグランドと接続される第１電源４１に接続される。第１上アーム素子２１〜２３は、コイル１１〜１３の各相に対応して設けられる。第１上アーム素子２４〜２６は、コイル１１〜１３の各相に対応して設けられ、第１上アーム素子２１〜２３の低電位側に接続される。

第２インバータ３０は、第２上アーム素子３１〜３３、および、第２下アーム素子３４〜３６を有し、コイル１１、１２、１３の他端１１２、１２２、１３２およびグランドと非接続である第２電源４２に接続される。第２上アーム素子３１〜３３は、コイル１１〜１３の各相に対応して設けられる。第２下アーム素子３４〜３６は、コイル１１〜１３の各相に対応して設けられ、第２上アーム素子３１〜３３の低電位側に接続される。
低電位側リレー５７は、第１インバータ２０の低電位側と第１電源４１との間に設けられる。

第１制御部６１は、第１インバータ制御部６２、リレー制御部６３、および、異常検出部６５を有する。第２制御部６６は、第２インバータ制御部６７を有する。
第１インバータ制御部６２は、第１インバータ２０を制御する。第２インバータ制御部６７は、第２インバータ３０を制御する。リレー制御部６３は、低電位側リレー５７の開閉を制御する。異常検出部６５は、コイル１１〜１３の地絡を検出する。コイル１１〜１３の地絡が検出された場合、リレー制御部６３は低電位側リレー５７を開とし、インバータ制御部６２、６７は電力要求に応じて第１インバータ２０および第２インバータ３０を制御する。

本実施形態では、接地される第１電源４１の低電位側に設けられる低電位側リレー５７を開とすることで、コイル１１〜１３に地絡が発生した場合に地絡電流が流れるのを防ぐことができる。
また、本実施形態では、コイル１１〜１３の両側にそれぞれインバータ２０、３０が設けられているので、低電位側リレー５７が開の状態にて、電力要求に応じて第１インバータ２０および第２インバータ３０が制御することで、地絡異常が生じた場合であっても、モータジェネレータ１０が適用される補機駆動システム１の機能を維持可能である。具体的には、補機駆動システム１の機能には、モータジェネレータ１０の駆動、第１電源４１および第２電源４２の充電、ならびに、負荷５８への給電が含まれる。

第１制御部６１は、第１電源４１の充電要求の有無を判定する第１充電判定部６４を備える。
コイル１１〜１３の地絡が検出され（図７中のＳ１０３：ＹＥＳ）、かつ、第１電源４１の充電要求がない場合（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、第１インバータ制御部６２は、第１上アーム素子２１〜２３の全相、または、第１下アーム素子２４〜２６の全相の一方をオン、他方をオフする。これにより、第１インバータ２０側が中性点化される。また、第２インバータ制御部６７は、電力要求に基づいて第２インバータ３０を制御する。
これにより、地絡異常が生じた場合であっても、モータジェネレータ１０の駆動要求、および、第２電源４２の充電要求等に応じ、回転電機駆動システム５を適切に制御することができる。

コイル１１〜１３が地絡している相を地絡相、地絡していない相を正常相とする。
コイル１１〜１３の地絡が検出され（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、かつ、第１電源４１の充電要求がある場合（Ｓ１０５：ＮＯ）、第２インバータ制御部６７は、地絡相の第２下アーム素子をオンし、第１インバータ制御部６２は、第１インバータ制御部６２は、正常相の少なくとも１相の第１上アーム素子または第２上アーム素子の一方をオンし、他方をスイッチング制御する。
これにより、地絡異常が生じた場合であっても、第１電源４１を適切に充電することができる。特に、第１電源４１に負荷５８が接続されている場合、負荷５８への給電を継続することができる。

本実施形態では、第１制御部６１および第２制御部６６が「制御部」に対応する。また、第１インバータ制御部６２および第２インバータ制御部６７が「インバータ制御手段」に対応し、リレー制御部６３が「リレー制御手段」に対応し、第１充電判定部６４が「充電判定手段」に対応し、異常検出部６５が「地絡検出手段」に対応する。

（他の実施形態）
（ア）地絡検出手段
上記実施形態では、電流指令値と電流検出値との比較により、地絡検出を行う。他の実施形態では、地絡検出方法は、電流指令値と電流検出値との比較に限らず、どのような方法としてもよい。
また、上記実施形態では、電流検出値は、第１インバータと巻線との間に設けられる電流センサから取得される。他の実施形態では、電流センサは、第２インバータと巻線との間等、第１インバータと巻線との間以外の箇所に設けてもよい。また、上記実施形態では、電流センサは３相に設けられる。他の実施形態では、電流センサの一部を省略してもよく、例えば、電流センサを２相に設け、他１相の電流検出値は、３相和＝０より求めてもよい。また、電流センサを省略し、制御部にて内部的に実電流を推定するようにしてもよい。

（イ）地絡時充電駆動
上記実施形態では、正常相うちの１相の第１上アーム素子の一方をオン、他方をスイッチング制御する。他の実施形態では、正常相の複数の相の第１上アーム素子の一方をオン、他方をスイッチング制御するようにしてもよい。
（ウ）リレー
上記実施形態では、第１電圧源と第１インバータとの間には、高電位側リレーおよび低電位側リレーが設けられる。他の実施形態では、高電位側リレーを省略してもよい。

（エ）第１電圧源、第２電圧源
上記実施形態では、第１電圧源が１２［Ｖ］電源であり、第２電圧源が４８［Ｖ］電源である。他の実施形態では、第１電圧源および第２電圧源の電圧は、１２［Ｖ］および４８［Ｖ］に限らず、いくつであってもよい。上記実施形態では、第１電源電圧よりも第２電源電圧が大きい。他の実施形態では、第１電源電圧が第２電源電圧以上であってもよい。なお、第１電源電圧が第２電源電圧以上である場合、昇圧駆動を行うことで、第１電圧源を充電可能である。

上記実施形態では、第１電圧源を鉛蓄電池とし、第２電圧源をリチウム蓄電池とした。他の実施形態では、第１電圧源および第２電圧源は、例えば、電気二重層キャパシタ等、充放電可能などのような蓄電装置を用いてもよい。また、第１電圧源および第２電圧源は、蓄電装置の種類が同一でもよいし、異なっていてもよい。
上記実施形態では、第１電圧源は、車体を経由してグランドと接続される。他の実施形態では、車体を経由せずに、第１電圧源とグランドとが接続されるように構成してもよい。

（オ）回転電機駆動システム
上記実施形態では、回転電機は、３相交流の回転機である。他の実施形態では、４相以上の回転機としてもよい。また、上記実施形態では、ＩＳＧである。他の実施形態では、回転電機をＩＳＧ以外の装置としてもよい。この場合、界磁巻線に替えて、磁石がロータに設けられるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、回転電機駆動システムは、車両の補機駆動システムに適用される、第１電圧源に負荷が接続される。他の実施形態では、回転電機駆動システムを補機駆動システム以外のシステムに適用してもよい。また、第１電圧源に負荷が接続されていなくてもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

６・・・電力変換装置
１１〜１３・・・コイル（巻線）
２０・・・第１インバータ ３０・・・第２インバータ
４１・・・第１電源（第１電圧源） ４２・・・第２電源（第２電圧源）
５７・・・低電位側リレー（リレー）
６１・・・第１制御部（制御部） ６６・・・第２制御部（制御部）
６２・・・第１インバータ制御部（インバータ制御手段）
６３・・・リレー制御部（リレー制御手段）
６５・・・異常検出部（地絡検出手段）
６７・・・第２インバータ制御部（インバータ制御手段）

Claims (3)

1. 複数相の巻線（１１、１２、１３）を有する回転電機（１０）の電力を変換する電力変換装置であって、
   前記巻線の各相に対応して設けられる第１上アーム素子（２１、２２、２３）および前記第１上アーム素子の低電位側に接続される第１下アーム素子（２４、２５、２６）を有し、前記巻線の一端（１１１、１２１、１３１）およびグランドと接続される第１電圧源（４１）に接続される第１インバータ（２０）と、
   前記巻線の各相に対応して設けられる第２上アーム素子（３１、３２、３３）および前記第２上アーム素子の低電位側に接続される第２下アーム素子（３４、３５、３６）を有し、前記巻線の他端（１１２、１２２、１３２）およびグランドと非接続である第２電圧源（４２）に接続される第２インバータ（３０）と、
   前記第１インバータの低電位側と前記第１電圧源との間に設けられるリレー（５７）と、
   前記第１インバータおよび前記第２インバータを制御するインバータ制御手段（６２、６７）、前記リレーの開閉を制御するリレー制御手段（６３）、および、前記巻線の地絡を検出する地絡検出手段（６５）を有する制御部（６１、６６）と、
   を備え、
   前記巻線の地絡が検出された場合、
   前記リレー制御手段は、前記リレーを開とし、
   前記インバータ制御手段は、電力要求に応じて前記第１インバータおよび前記第２インバータを制御することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御部は、前記第１電圧源の充電要求の有無を判定する充電判定手段（６４）を備え、
   前記巻線の地絡が検出され、かつ、前記第１電圧源の充電要求がない場合、
   前記インバータ制御手段は、
   前記第１上アーム素子の全相、または、前記第１下アーム素子の全相の一方をオン、他方をオフし、
   前記電力要求に基づいて前記第２インバータを制御することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御部は、前記第１電圧源の充電要求の有無を判定する充電判定手段（６４）を備え、
   前記巻線の地絡が検出され、かつ、前記第１電圧源の充電要求がある場合、
   前記巻線が地絡している相を地絡相、地絡していない相を正常相とすると、
   前記インバータ制御手段は、
   前記地絡相の前記第２下アーム素子をオンし、
   前記正常相のうちの少なくとも１相の前記第１上アーム素子または前記第２上アーム素子の一方をオンし、他方をスイッチング制御することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。

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