JP2016092945A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１つの回転電機に２つのインバータを設ける構成において、モータジェネレータにより生じる電力を電圧源に適切に充電可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】第１インバータ２０は、コイル１１、１２、１３の一端１１１、１２１、１３１および第１バッテリ４１と接続される。第２インバータ３０は、コイル１１、１２、１３の他端１１２、１２２、１３２および第２バッテリ４２と接続される。制御部６０は、モータジェネレータ１０の発電量に応じて第１インバータ２０および第２インバータ３０を制御し、第１バッテリ４１および第２バッテリ４２の充電量を可変とする。これにより、モータジェネレータ１０により生じる電力を第１バッテリ４１および第２バッテリ４２に適切に充電させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

従来、２つのインバータによりモータの電力を変換するインバータ駆動システムが知られている。例えば特許文献１では、高電圧時において、第１のインバータシステムと第２のインバータシステムのパルス幅変調信号（以下、パルス幅変調を「ＰＷＭ」という。）の基本波成分の位相を１８０［°］ずらすことで２つの電源が電気的に直列接続され、２つの電源電圧の和によりモータを駆動する。また、特許文献１では、低電圧時において、第１のインバータシステムまたは第２のインバータシステムの一方の上アームまたは下アームのいずれかを３相同時オンし、他方をＰＷＭ駆動している。

特開２００６−２３８６８６号公報

特許文献１では、回転機から生じた電力の回生制御については、何ら言及されていない。
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、１つの回転電機に２つのインバータを設ける構成において、モータジェネレータにより生じる電力を電圧源に適切に充電可能な電力変換装置を提供することにある。

本発明は、巻線を有するモータジェネレータの電力を変換する電力変換装置であって、第１インバータと、第２インバータと、制御部と、を備える。
第１インバータは、巻線の一端と第１電圧源とに接続される。
第２インバータは、巻線の他端と第２電圧源とに接続される。
制御部は、モータジェネレータの発電量に応じて第１インバータおよび第２インバータを制御し、第１電圧源および第２電圧源の充電量を可変とする。

これにより、モータジェネレータにより生じる電力を第１電圧源および第２電圧源に適切に充電させることができる。また、例えばモータジェネレータを電動車両の主機モータに適用する場合、第１電圧源および第２電圧源の充電状態を適切に制御することで、電圧源の容量に対する航続距離（いわゆる「電費」）の向上に寄与する。

本発明の第１実施形態の電力変換装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第１実施形態による片側駆動動作を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態による反転駆動動作を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態による電流値および電圧値を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態による両側充電動作を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態による両側充電動作を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態による両側充電動作を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態による片側充電動作と両側充電動作との切り替えを説明する説明図である。 本発明の第１実施形態による充電制御処理を説明するフローチャートである。 本発明の第２実施形態による電力変換装置を示す概略構成図である。 本発明の第３実施形態による電力変換装置を示す概略構成図である。

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。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による電力変換装置を図１〜図９に基づいて説明する。以下、複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
図１に示すように、本実施形態の電力変換装置１は、モータジェネレータ１０の電力を変換するものである。
モータジェネレータ１０は、例えば電気自動車やハイブリッド車両等の電動自動車に適用され、図示しない駆動輪を駆動するためのトルクを発生する、いわゆる「主機モータ」である。モータジェネレータ１０は、駆動輪を駆動するための電動機としての機能、および、図示しないエンジンや駆動輪から伝わる運動エネルギによって駆動されて発電する発電機としての機能を有する。

モータジェネレータ１０は、３相交流の回転機であって、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」に対応し、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。また、Ｕ相コイル１１に通電される電流をＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相コイル１２に通電される電流をＶ相電流Ｉｖ、Ｗ相コイル１３に通電される電流をＷ相電流Ｉｗという。また、モータジェネレータ１０の最大回転数をＮｍａｘとする。
モータジェネレータ１０のロータ近傍には、ロータの回転角θを検出する回転角センサ１４が設けられる。

電力変換装置１は、第１インバータ２０、第２インバータ３０、および、制御部６０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、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」、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電圧源としての第１バッテリ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が第１バッテリ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が第１バッテリ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、Ｕ２上アーム素子３１、Ｖ２上アーム素子３２およびＷ２上アーム素子を「（第２）上アーム素子３１〜３３」、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）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電圧源としての第２バッテリ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が第２バッテリ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が第２バッテリ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。以下適宜、図中において、第１インバータ２０を「ＩＮＶ１」、第２インバータ３０を「ＩＮＶ２」と記載する。
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）やサイリスタ等としてもよい。

第１バッテリ４１は、リチウムイオン電池等の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。第１バッテリ４１は、ＳＯＣ（State Of Charge）が第１下限値ＳＬ１以上、第１上限値ＳＨ１以下となるように制御される。

第２バッテリ４２は、リチウムイオン電池等の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。第２バッテリ４２は、ＳＯＣが第２下限値ＳＬ２以上、第２上限値ＳＨ２以下となるように制御される。第１下限値ＳＬ１と第２下限値ＳＬ２とは、等しくてもよいし、異なっていてもよい。同様に、第１上限値ＳＨ１と第２上限値ＳＨ２とは、等しくてもよいし、異なっていてもよい。

本実施形態では、第１バッテリ４１の内部抵抗は、第２バッテリ４２の内部抵抗より小さい。また、第１バッテリ４１は、第２バッテリ４２より高出力とする。第２バッテリ４２は、第１バッテリ４１より高容量とする。また本実施形態では、第１バッテリ４１の電圧である第１バッテリ電圧Ｖｂ１と、第２バッテリ４２の電圧である第２バッテリ電圧Ｖｂ２とは等しいものとする。

第１コンデンサ４３は、第１バッテリ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バッテリ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バッテリ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バッテリ４２側への電流を平滑化する平滑コンデンサである。

制御部６０は、通常のコンピュータ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。制御部６０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。

制御部６０は、回転角センサ１４から回転角θに係る検出値を取得し、当該検出値に基づき、回転数Ｎを演算する。
制御部６０は、第１制御信号生成部６１および第２制御信号生成部６２を有する。第１制御信号生成部６１は、第１スイッチング素子２１〜２６のオンオフ作動を制御する制御信号を生成する。第２制御信号生成部６２は、第２スイッチング素子３１〜３６のオンオフ作動を制御する制御信号を生成する。

モータジェネレータ１０を電動機として機能させる場合の第１インバータ２０および第２インバータ３０の駆動動作を図２および図３に基づいて説明する。なお、図２および図３では、回転角センサ１４、および制御部６０の記載を省略した。図４についても同様である。
（１−１）片側駆動動作
第１バッテリ４１または第２バッテリ４２の電力によりモータジェネレータ１０を駆動するときの第１インバータ２０および第２インバータ３０の動作を片側駆動動作とする。片側駆動動作は、１電源駆動動作と捉えることもできる。
第１バッテリ４１の電力によりモータジェネレータ１０を駆動する第１片側駆動動作では、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の全相の一方をオン、他方をオフすることにより、第２インバータ３０を中性点化する。また、モータジェネレータ１０の駆動要求に応じ、第１インバータ２０をＰＷＭ制御により制御する。

図２（ａ）に示す例では、第２上アーム素子３１〜３３の全相がオン、第２下アーム素子３４〜３６の全相がオフされることにより、第２インバータ３０が中性点化される。また、第１インバータ２０において、Ｕ１上アーム素子２１、Ｖ１下アーム素子２５、および、Ｗ１下アーム素子２６がオンされると、図２（ａ）中の矢印Ｙ１で示す経路の電流が流れる。図２では、オンである素子を実線、オフである素子を破線で示す。後述の図３も同様である。

第２バッテリ４２の電力によりモータジェネレータ１０を駆動する第２片側駆動動作では、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、他方をオフすることにより、第１インバータ２０を中性点化する。また、モータジェネレータ１０の駆動要求に応じ、第２インバータ３０をＰＷＭ制御により制御する。

図２（ｂ）に示す例では、第１上アーム素子２１〜２３の全相がオン、第１下アーム素子２４〜２６の全相がオフされることにより、第１インバータ２０が中性点化される。また、第２インバータ３０において、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がオンされると、図２（ｂ）中の矢印Ｙ２で示す経路の電流が流れる。

第２スイッチング素子３１〜３６の熱劣化等に応じ、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てもよい。第１インバータ２０を中性点化する場合も同様である。
また、第１バッテリ電圧Ｖｂ１と第２バッテリ電圧Ｖｂ２とが等しいので、モータジェネレータ１０に印加される電圧は、第１片側駆動動作と第２片側駆動動作とで等しい。そのため、スイッチング素子２１〜２６、３１〜３６の熱劣化等に応じ、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てもよい。
なお、第１バッテリ電圧Ｖｂ１と第２バッテリ電圧Ｖｂ２とが異なる場合、電圧が低い方で駆動要求を満たせるときには、高電圧側を中性点化し、低電圧側で駆動する。これにより、スイッチング損失を低減することができる。

（１−２）反転駆動動作
第１バッテリ４１および第２バッテリ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。反転駆動動作は、２電源駆動動作と捉えることもできる。
反転駆動動作では、モータジェネレータ１０の駆動要求に応じた第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、駆動要求に応じた第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。

例えば、制御部６０は、第１基本波Ｆ１とキャリア波との比較によるＰＷＭ制御により第１制御信号を生成し、第２基本波Ｆ２とキャリア波との比較によるＰＷＭ制御により第２制御信号を生成する。ＰＷＭ制御には、基本波Ｆ１、Ｆ２の振幅がキャリア波の振幅より小さい「正弦波ＰＷＭ制御」、および、基本波Ｆ１、Ｆ２の振幅がキャリア波より大きい「過変調ＰＷＭ制御」を含むものとする。

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、位相が反転されている。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。これにより、第１バッテリ４１と第２バッテリ４２とが直列接続されている状態とみなすことができ、第１バッテリ電圧Ｖｂ１と第２バッテリ電圧Ｖｂ２との和に相当する電圧をモータジェネレータ１０に印加可能である。
なお、第１基本波Ｆ１と第２基本波Ｆ２との位相差は、１８０［°］とするが、第１バッテリ電圧Ｖｂ１および第２バッテリ電圧Ｖｂ２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の振幅と第２基本波Ｆ２の振幅とは、等しくてもよいし、異なっていてもよい。第１基本波Ｆ１の振幅と第２基本波Ｆ２の振幅とが等しい場合、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３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、このとき、矢印Ｙ３で示す経路の電流が流れる。

また、第１基本波Ｆ１と第２基本波Ｆ２とは、ともに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、異なる波形であってもよい。また、振幅を無限大とみなし、基本波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、基本波に基づき、１２０度通電制御としてもよい。
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。

次に、車両減速時にモータジェネレータ１０を回生駆動することによる第１バッテリ４１および第２バッテリ４２の充電について説明する。
本実施形態では、モータジェネレータ１０は、電動車両に適用されている。そのため、第１バッテリ４１および第２バッテリ４２の容量に対する航続距離（いわゆる「電費」）を向上させるためには、第１バッテリ４１および第２バッテリ４２の入出力電力を適切に制御することが重要である。

モータジェネレータ１０が発電機として機能することで生じる電力を第１バッテリ４１および第２バッテリ４２に充電する際の第１インバータ２０および第２インバータ３０の動作を説明する。本実施形態では、モータジェネレータ１０の回生制動による発電を中心に説明する。この場合、モータジェネレータ１０の回生量（以下単に「回生量」という。）Ｐが「モータジェネレータの発電量」に対応する。「モータジェネレータの発電量」は、回生量Ｐに替えて、エンジン等の駆動源によりモータジェネレータ１０が駆動されて発電する場合の発電量であってもよい。

（２−１）片側充電動作
片側充電動作では、第２インバータ３０を中性点化し、第１インバータ２０を回生量Ｐに応じて駆動させることにより、第１バッテリ４１が充電される。また、第１インバータ２０を中性点化し、第２インバータ３０を回生量Ｐに応じて駆動させることにより、第２バッテリ４２が充電される。
片側充電動作では、第１インバータ２０または第２インバータ３０が中性点化されるため、後述する両側充電動作と比較してスイッチング損失が小さいので有利である。本実施形態では、第１バッテリ４１の方が第２バッテリ４２よりも内部抵抗が小さいので、第１バッテリ４１を優先的に充電する。

（２−２）両側充電動作
回生により生じる電力が第１バッテリ４１または第１インバータ２０の少なくとも一方、もしくは、第２バッテリ４２または第２インバータ３０の少なくとも一方の許容入力電力を上回る場合、両側充電動作により、第１バッテリ４１および第２バッテリ４２を同時に充電する。両側充電動作では、反転駆動動作のように、第１基本波Ｆ１の位相と第２基本波Ｆ２の位相とを反転させることにより、第１バッテリ４１および第２バッテリ４２を同時に充電する。
本実施形態では、第１基本波Ｆ１の振幅および第２基本波Ｆ２の振幅を可変とし、第１インバータ２０のデューティおよび第２インバータ３０のデューティを可変とすることにより、第１バッテリ４１および第２バッテリ４２の充電量を適切に制御する。

ここで、図５〜図７に基づく両側充電動作の説明に先立ち、電流値および電圧値について、図４に基づいて説明しておく。
図４に示すように、コイル１１〜１３において、第１インバータ２０側から第２インバータ３０側へ流れる電流を正、第２インバータ３０から第１インバータ２０側へ流れる電流を負とする。また、第１バッテリ４１から第１インバータ２０側への電流を第１バッテリ電流Ｉ１とし、第２バッテリ４２から第２インバータ３０側への電流を第２バッテリ電流Ｉ２とする。本実施形態では、第１バッテリ電流Ｉ１が負のとき、第１バッテリ４１が充電され、第２バッテリ電流Ｉ２が負のとき、第２バッテリ４２が充電される。
また、コイル１１〜１３の第１インバータ２０側における相間電圧を第１相間電圧Ｖ１とし、コイル１１〜１３の第２インバータ３０側における相間電圧を第２相間電圧Ｖ２とする。図５〜図７においては、Ｗ相基準のＵ相電圧（Ｕ−Ｗ間電圧）を相間電圧Ｖ１、Ｖ２とする。

図５〜図７に基づいて両側充電動作について説明する。図５〜図７において、（ａ）が相電流、（ｂ）が第１基本波Ｆ１、（ｃ）が第２基本波Ｆ２、（ｄ）が第１相間電圧Ｖ１、（ｅ）が第２相間電圧Ｖ２、（ｆ）が第１バッテリ電流Ｉ１、（ｇ）が第２バッテリ電流Ｉ２である。また、（ｂ）、（ｃ）における「ｋ」は、キャリア波の振幅を示し、図７（ｂ）における第１基本波Ｆ１の振幅αｋは、キャリア波の振幅ｋよりも十分に大きいことを意味する。
また、図５が第１インバータ２０と第２インバータ３０とでデューティが等しい場合、図６が第１インバータ２０のデューティが第２インバータ３０のデューティより大きい場合、図７が第１インバータ２０のデューティを最大（本実施形態では、１２０度通電）とした場合を示している。図５〜図７では、モータジェネレータ１０の回転数Ｎおよび回生量Ｐが等しい。また、回生量Ｐは、第１バッテリ４１により充電可能な最大量より、大きいものとする。

図５に示すように、第１インバータ２０と第２インバータ３０とのデューティを等しくする場合、第１基本波Ｆ１の振幅と第２基本波Ｆ２の振幅とが等しく、第１バッテリ電流Ｉ１の平均値（以下、「第１電流平均値」という。）Ｉ１＿ａｖｅと、第２バッテリ電流Ｉ２の平均値（以下、「第２電流平均値」という。）Ｉ２＿ａｖｅとは等しい。ここで、ロス等を無視すれば、第１バッテリ４１の充電量（以下、「第１充電量」という。）Ｃ１、および、第２バッテリ４２の充電量（以下、「第２充電量」という。）Ｃ２は、式（１）、（２）となる。
Ｃ１＝−Ｉ１×Ｖｂ１ ・・・（１）
Ｃ２＝−Ｉ２×Ｖｂ２ ・・・（２）
本実施形態では、第１バッテリ電圧Ｖｂ１と第２バッテリ電圧Ｖｂ２とが等しく、また、図５の例では、第１バッテリ電流Ｉ１と第２バッテリ電流Ｉ２とが等しいので、第１充電量Ｃ１と第２充電量Ｃ２とが等しい。

図６に示すように、第１インバータ２０のデューティを第２インバータ３０のデューティより大きくする場合、第１基本波Ｆ１の振幅は第２基本波Ｆ２の振幅より大きく、第１電流平均値Ｉ１＿ａｖｅの絶対値は第２電流平均値Ｉ２＿ａｖｅの絶対値より大きい。また、第１充電量Ｃ１は、第２充電量Ｃ２より大きい。

図７に示すように、第１インバータ２０のデューティを最大とすべく、１２０度通電制御とする。これにより、第１バッテリ４１の充電量が最大化される。また、第１バッテリ４１にて充電できない分の電力が第２バッテリ４２に充電されるように、第２基本波Ｆ２の振幅および第２インバータ３０のデューティが設定される。このとき、第１電流平均値Ｉ１＿ａｖｅの絶対値は、第２電流平均値Ｉ２＿ａｖｅの絶対値より大きく、第１充電量Ｃ１は第２充電量Ｃ２より大きい。また、図６における第１充電量Ｃ１と第２充電量Ｃ２との差より、図７における第１充電量Ｃ１と第２充電量Ｃ２との差が大きい。

損失について考慮すると、スイッチング回数が少ない方がスイッチングによる損失が小さい。また、本実施形態では、第１バッテリ４１の方が、第２バッテリ４２よりも内部抵抗が小さいので、損失が小さい。そこで本実施形態では、第１バッテリ４１および第２バッテリ４２を同時に充電する場合、第１バッテリ４１を優先的に充電する。

第１バッテリ４１のＳＯＣが第１上限値ＳＨ１未満、かつ、第２バッテリ４２のＳＯＣが第２上限値ＳＨ２未満である場合、図８に示すように、モータジェネレータ１０の回転数Ｎおよび回生量Ｐが第１閾値Ｌ１以下である領域Ｒ１において、第２インバータ３０を中性点化し、第１インバータ２０を回生量Ｐに応じて制御することにより、第１バッテリ４１を充電する。また、モータジェネレータ１０の回転数Ｎおよび回生量Ｐが第１閾値Ｌ１以上、上限値Ｌ２以下である領域Ｒ２において、図７に示す如く、第１インバータ２０のデューティを最大とし（本実施形態では、１２０度通電制御）、第１バッテリ４１の充電量を最大化する。また、第１バッテリ４１にて充電しきれない余剰量に応じて第２インバータ３０を制御することにより、余剰分を第２バッテリ４２に充電する。

また、モータジェネレータ１０の回転数Ｎおよび回生量Ｐが上限値Ｌ２より大きい場合、第１インバータ２０および第２インバータ３０を、ともにデューティを最大とし、第１充電量Ｃ１および第２充電量Ｃ２が最大となるようにする。また、第１インバータ２０側および第２インバータ３０側にて回生しきれない分については、図示しない機械式ブレーキを用いる。
なお、図８は、第１インバータ２０の最大回生量と、第２インバータ３０の最大回生量とが等しい場合の例である。

本実施形態における充電制御処理を図９に示すフローチャートに基づいて説明する。図９は、制御部６０にて所定の間隔にて実行される処理である。図９中では、第１バッテリ４１のＳＯＣを「ＳＯＣ１」、第２バッテリ４２のＳＯＣを「ＳＯＣ２」と記載する。
最初のステップＳ１０１（以下、「ステップ」を省略し、単に記号「Ｓ」と記す。）では、モータジェネレータ１０の回転数Ｎを取得する。また、当該回転数Ｎにおける第１インバータ２０側での最大回生量（以下、「第１最大回生量」という。）Ｐ１、第２インバータ３０側での最大回生量（以下、「第２最大回生量」という。）Ｐ２、および、第１インバータ２０側および第２インバータ３０側の両側での最大回生量（以下、「両側最大回生量」）Ｐ０を決定する。最大回生量Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２を算出するにあたり、モータジェネレータ１０の回転数Ｎに加え、第１インバータ２０および第２インバータ３０の冷却限界等を考慮してもよい。

Ｓ１０２では、モータジェネレータ１０での回生量Ｐが両側最大回生量Ｐ０未満か否かを判断する。回生量Ｐが両側最大回生量Ｐ０以上であると判断された場合（Ｓ１０２：ＮＯ）、Ｓ１１１へ移行する。回生量Ｐが両側最大回生量Ｐ０未満であると判断された場合（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、Ｓ１０３へ移行する。

Ｓ１０３では、モータジェネレータ１０での回生量Ｐが第１最大回生量Ｐ１未満か否かを判断する。回生量Ｐが第１最大回生量Ｐ１以上であると判断された場合（Ｓ１０３：ＮＯ）、Ｓ１０９へ移行する。回生量Ｐが第１最大回生量Ｐ１未満であると判断された場合（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、Ｓ１０４へ移行する。

Ｓ１０４では、第１バッテリ４１のＳＯＣが第１上限値ＳＨ１未満か否かを判断する。第１バッテリ４１のＳＯＣが第１上限値ＳＨ１未満であれば、第１バッテリ４１を充電可能である。第１バッテリ４１のＳＯＣが第１上限値ＳＨ１以上であると判断された場合（Ｓ１０４：ＮＯ）、Ｓ１０６へ移行する。第１バッテリ４１のＳＯＣが第１上限値ＳＨ１未満であると判断された場合（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、Ｓ１０５へ移行する。
Ｓ１０５では、第２インバータ３０を中性点化し、回生量Ｐに応じて第１インバータ２０を回生制御し、第１バッテリ４１を充電する片側充電動作とする。

第１バッテリ４１のＳＯＣが第１上限値ＳＨ１以上であると判断された場合（Ｓ１０４：ＮＯ）に移行するＳ１０６では、回生量Ｐが第２最大回生量Ｐ２未満か否かを判断する。回生量Ｐが第２最大回生量Ｐ２以上であると判断された場合（Ｓ１０６：ＮＯ）、Ｓ１１５へ移行する。回生量Ｐが第２最大回生量Ｐ２未満であると判断された場合（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、Ｓ１０７へ移行する。

Ｓ１０７では、第２バッテリ４２のＳＯＣが第２上限値ＳＨ２未満か否かを判断する。第２バッテリ４２のＳＯＣが第２上限値ＳＨ２未満であれば、第２バッテリ４２を充電可能である。第２バッテリ４２のＳＯＣが第２上限値ＳＨ２以上であると判断された場合（Ｓ１０７：ＮＯ）、Ｓ１１７へ移行する。第２バッテリ４２のＳＯＣが第２上限値ＳＨ２未満であると判断された場合（Ｓ１０７：ＹＥＳ）、Ｓ１０８へ移行する。
Ｓ１０８では、第１インバータ２０を中性点化し、回生量Ｐに応じて第２インバータ３０を回生制御し、第２バッテリ４２を充電する片側充電動作とする。

回生量Ｐが第１最大回生量Ｐ１以上であると判断された場合（Ｓ１０３：ＮＯ）に移行するＳ１０９では、第１バッテリ４１のＳＯＣが第１上限値ＳＨ１未満であり、かつ、第２バッテリ４２のＳＯＣが第２上限値ＳＨ２未満であるか否かを判断する。第１バッテリ４１のＳＯＣが第１上限値ＳＨ１以上、または、第２バッテリ４２のＳＯＣが第２上限値ＳＨ２以上であると判断された場合（Ｓ１０９：ＮＯ）、Ｓ１１３へ移行する。第１バッテリ４１のＳＯＣが第１上限値ＳＨ１未満、かつ、第２バッテリ４２のＳＯＣが第２上限値ＳＨ２未満であると判断された場合（Ｓ１０９：ＹＥＳ）、Ｓ１１０へ移行する。

Ｓ１１０では、回生量Ｐに応じて第１インバータ２０および第２インバータ３０を回生制御し、第１バッテリ４１および第２バッテリ４２を充電する両側充電動作とする。本実施形態では、第１バッテリ４１の充電量が最大となるように第１インバータ２０を制御し、余剰分が第２バッテリ４２に充電されるように第２インバータ３０を制御する。

回生量Ｐが両側最大回生量Ｐ０以上であると判断された場合（Ｓ１０２：ＮＯ）に移行するＳ１１１では、Ｓ１０９と同様、第１バッテリ４１のＳＯＣが第１上限値ＳＨ１未満であり、かつ、第２バッテリ４２のＳＯＣが第２上限値ＳＨ２未満であるか否かを判断する。第１バッテリ４１のＳＯＣが第１上限値ＳＨ１以上、または、第２バッテリ４２のＳＯＣが第２上限値ＳＨ２以上であると判断された場合（Ｓ１１１：ＮＯ）、Ｓ１１３へ移行する。第１バッテリ４１のＳＯＣが第１上限値ＳＨ１未満、かつ、第２バッテリ４２のＳＯＣが第２上限値ＳＨ２未満であると判断された場合（Ｓ１１１：ＹＥＳ）、Ｓ１１２へ移行する。

Ｓ１１２では、第１バッテリ４１の充電量が最大となるように第１インバータ２０を回生制御し、第２バッテリ４２の充電量が最大となるように第２インバータ３０を回生制御し、第１バッテリ４１および第２バッテリ４２を充電する両側充電動作とする。また、第１インバータ２０側および第２インバータ３０側にて回生しきれない分については、機械式ブレーキを用いる。

第１バッテリ４１のＳＯＣが第１上限値ＳＨ１以上、または、第２バッテリ４２のＳＯＣが第２上限値ＳＨ２以上であると判断された場合（Ｓ１０９：ＮＯ、または、Ｓ１１１：ＮＯ）に移行するＳ１１３では、第１バッテリ４１のＳＯＣが第１上限値ＳＨ１未満か否かを判断する。第１バッテリ４１のＳＯＣが第１上限値ＳＨ１以上であると判断された場合（Ｓ１１３：ＮＯ）、Ｓ１１５へ移行する。第１バッテリ４１のＳＯＣが第１上限値ＳＨ１未満であると判断された場合（Ｓ１１３：ＹＥＳ）、Ｓ１１４へ移行する。
なお、Ｓ１１３は、第１バッテリ４１のＳＯＣおよび第２バッテリ４２のＳＯＣの少なくとも一方が上限値ＳＨ１、ＳＨ２以上である場合に移行するステップであるので、Ｓ１１３にて否定判断される場合（すなわち、第１バッテリ４１のＳＯＣが第１上限値ＳＨ１未満である場合）、第２バッテリ４２のＳＯＣは第２上限値ＳＨ２以上である。

Ｓ１１４では、第２インバータ３０を中性点化し、第１バッテリ４１の充電量が最大となるように第１インバータ２０を回生制御する片側充電動作とする。また、第１インバータ２０側にて回生しきれない分については、機械式ブレーキを用いる。

第１バッテリ４１のＳＯＣが第１上限値ＳＨ１以上、かつ、回生量Ｐが第２最大回生量Ｐ２以上であると判断された場合（Ｓ１０４：ＮＯ、かつ、Ｓ１０６：ＮＯ）、または、回生量Ｐが両側最大回生量Ｐ０以上、かつ、第１バッテリ４１のＳＯＣが第１上限値ＳＨ１以上であると判断された場合（Ｓ１０２：ＮＯ、かつ、Ｓ１１３：ＹＥＳ）に移行するＳ１１５では、第２バッテリ４２のＳＯＣが第２上限値ＳＨ２未満であるか否かを判断する。第２バッテリ４２のＳＯＣが第２上限値ＳＨ２以上であると判断された場合（Ｓ１１５：ＮＯ）、Ｓ１１７へ移行する。第２バッテリ４２のＳＯＣが第２上限値ＳＨ２未満であると判断された場合（Ｓ１１５：ＮＯ）、Ｓ１１６へ移行する。

Ｓ１１６では、第１インバータ２０を中性点化し、第２バッテリ４２の充電量が最大となるように第２インバータ３０を回生制御する片側充電動作とする。また、第２インバータ３０側にて回生しきれない分については、機械式ブレーキを用いる。
第１バッテリ４１のＳＯＣが第１上限値ＳＨ１以上、かつ、第２バッテリ４２のＳＯＣが第２上限値ＳＨ２以上である場合（Ｓ１０４：ＮＯかつＳ１０７：ＮＯ、または、Ｓ１１３：ＮＯかつＳ１１５：ＮＯ）に移行するＳ１１７では、第１バッテリ４１および第２バッテリ４２を充電することができないので、第１インバータ２０および第２インバータ３０を回生制御せず、機械式ブレーキを用いる。

以上詳述したように、本実施形態の電力変換装置１は、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、制御部６０と、を備える。
第１インバータ２０は、コイル１１、１２、１３の一端１１１、１２１、１３１および第１バッテリ４１と接続される。
第２インバータ３０は、コイル１１、１２、１３の他端１１２、１２２、１３２および第２バッテリ４２と接続される。

制御部６０は、モータジェネレータ１０の発電量に応じて第１インバータ２０および第２インバータ３０を制御し、第１バッテリ４１の充電量および第２バッテリ４２の充電量を可変とする。
これにより、モータジェネレータ１０により生じる電力を第１バッテリ４１および第２バッテリ４２に適切に充電させることができる。本実施形態では、モータジェネレータ１０は電動車両の主機モータであるので、第１バッテリ４１および第２バッテリ４２の充電状態であるＳＯＣを適切に制御することで、バッテリ容量に対する航続距離（いわゆる「電費」）の向上に寄与する。

制御部６０は、発電量が第１バッテリ４１にて充電可能な最大量である第１最大回生量Ｐ１より大きい場合、第１バッテリ４１の充電量を最大とし、余剰分を第２バッテリ４２に充電させる。
第１バッテリ４１の充電量が最大となるように充電する場合、例えば１２０度通電制御や１８０度通電制御とすることにより、第１インバータ２０におけるスイッチング損失が低減される。これにより、損失を低減することができ、高効率に第１バッテリ４１および第２バッテリ４２を充電させることができる。

特に、第１バッテリ４１が、第２バッテリ４２より内部抵抗が小さい場合、より損失を低減することができる。
また、第１バッテリ４１は、第２バッテリ４２より高出力であり、第２バッテリ４２は第１バッテリ４１より高容量である。高出力型である第１バッテリ４１は、高容量型である第２バッテリより容量が少ない。そのため、第１バッテリ４１を優先的に充電することにより、第１バッテリ４１および第２バッテリ４２のＳＯＣをより適切に制御することができる。

また、制御部６０は、発電量が第１バッテリ４１または第２バッテリ４２の一方にて充電可能である場合、第１バッテリ４１または第２バッテリ４２の一方に充電させる。
第１バッテリ４１または第２バッテリ４２の一方を充電する片側充電動作では、第１インバータ２０または第２インバータ３０が中性点化されるので、ＰＷＭ制御等によって制御される場合と比較して、スイッチング損失が小さい。したがって、両側充電動作とする場合よりも損失を低減することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図１０に示す。
本実施形態では、第１バッテリ４１および第１コンデンサ４３に替えて、第１電圧源としてのキャパシタ４５が設けられる。第１インバータ２０は、コイル１１、１２、１３の一端１１１、１２１、１３１とキャパシタ４５との間に接続される。
本実施形態の充電制御処理は上記実施形態と同様であり、第１電圧源であるキャパシタ４５を優先的に充電するものとする。

本実施形態では、第１電圧源は、キャパシタである。例えばリチウムイオンバッテリである第２バッテリ４２と比較し、内部抵抗が小さく、充放電の繰り返しによる劣化が小さい。そのため、キャパシタ４５を優先的に充電することにより、第２バッテリ４２の劣化を抑制することができる。
また、上記実施形態と同様の効果を奏する。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図１１に示す。
本実施形態のモータジェネレータ１５は、駆動源としてのエンジン１６と接続され、第１電力源としての第１バッテリ４６および第２電力源としての第２バッテリ４７の電力によって駆動されて電動機として機能することでエンジン１６を始動させるスタータとしての機能、および、エンジン１６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。

第１バッテリ４６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１５と電力を授受可能に設けられる。本実施形態では、第１バッテリ４６は、高出力型のリチウムイオン電池とする。なお、第２実施形態のように、第１バッテリ４６および第１コンデンサ４３に替えて、キャパシタ４５としてもよい。
第２バッテリ４７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１５と電力を授受可能に設けられる。本実施形態では、第２バッテリ４７は、高容量型の鉛蓄電池とする。
すなわち、第２バッテリ４７の容量は、第１バッテリ４６の容量より大きい。また、第１バッテリ４６の出力は、第２バッテリ４７の出力より大きい。

負荷５０は、高容量型である第２バッテリ４７の電力が供給される定電圧負荷である。負荷５０は、例えば図示しないアクセサリ電源を経由して第２バッテリ４７の電力が供給される補機類や電装品等が含まれる。少なくとも一部の負荷５０のマイナス端子は、図示しない車体に接続されることにより、接地される。

本実施形態における片側駆動動作、および、両側駆動動作は、上記実施形態と同様である。
本実施形態のモータジェネレータ１５はＩＳＧであるので、発電機として機能する場合として、エンジン１６に駆動されて発電する「エンジン発電」と、制動時の「ＭＧ回生」とがある。また、第２バッテリ４７には負荷５０が接続されているため、負荷５０への給電の観点から、負荷５０が接続されない第１バッテリ４６と比較して電圧変動が許容されない。

そこで本実施形態では、エンジン発電時においては、高容量型である第２バッテリ４７を優先的に充電する。すなわち、片側充電可能なときには、第１インバータ２０を中性点化し、第２バッテリ４７を充電する。また、両側充電動作時においては、第２インバータ３０のデューティを第１インバータ２０のデューティよりも大きくする。これにより、第２バッテリ４７の電圧低下が抑制され、電圧変動を抑制することができる。

また、ＭＧ回生時において、高出力型である第１バッテリ４６を優先的に充電する。すなわち、片側充電可能なときには、第２インバータ３０を中性点化し、第１バッテリ４６を充電する。また、両側充電動作時においては、第１インバータ２０のデューティを第２インバータ３０のデューティよりも大きくする。これにより、ＭＧ制動により瞬発的に生じる回生エネルギを高効率に回生させることができる。
本実施形態では、エンジン発電により生じる電力が「発電電力」に対応し、ＭＧ回生により生じる電力が「回生電力」に対応する。

本実施形態のモータジェネレータ１５は、エンジン１６により駆動される。
制御部６０は、モータジェネレータ１５の回生により生じる回生電力が第１バッテリ４６に優先的に充電され、エンジン１６によりモータジェネレータ１５が駆動されて生じる発電電力が第２バッテリ４７に優先的に充電されるように、第１インバータ２０および第２インバータ３０を制御する。
特に、第１バッテリ４６が高出力型であり、第２バッテリ４７が高容量型である場合、回生電力を第１バッテリ４６に充電させることにより、回生エネルギを高効率に回収することができる。

また、第２バッテリ４７には、負荷５０が接続される。負荷５０が接続される第２バッテリ４７は、負荷５０への給電の観点から電圧変動が小さいことが望ましいため、高容量型のものが適している。また、発電電力を第２バッテリ４７に優先的に充電させることにより、第２バッテリ４７の電圧変動を抑制することがきる。
また、上記実施形態と同様の効果を奏する。

（他の実施形態）
（ア）第１インバータ、第２インバータ
上記実施形態では、第１インバータおよび第２インバータは、ＰＷＭ制御、または、矩形波制御により制御される。他の実施形態では、ＰＷＭ制御および矩形波制御以外の制御方法により制御されるようにしてもよい。
また、上記実施形態の充電制御処理では、第１電圧源および第２電圧源が充電可能であるか否か、および、回生量に応じて制御される。他の実施形態では、第１電圧源または第２電圧源の一方を充電する必要がある場合（例えば、ＳＯＣが下限値以下である場合）、充電要求がある第１電圧源または第２電圧源を優先的に充電させるようにしてもよい。また、上記実施形態では、制御部は、両側充電動作において、一方の電圧源の充電量が最大となるようにし、余剰分を他方の電圧源に充電させるように制御する。他の実施形態では、制御部は、電圧源の充電要求等に応じ、第１電圧源と第２電圧源とを均等に充電させるように第１インバータおよび第２インバータを制御してもよいし、第１電圧源の充電量と第２電圧源の充電量とが所定比率にて充電されるように第１インバータおよび第２インバータを制御してもよい。

（イ）第１電圧源、第２電圧源
上記実施形態では、第１電圧源の内部抵抗が小さく、高出力型の電源であり、第２電圧源が高容量型の電源である。他の実施形態では、第１電圧源を高容量型の電源とし、第２電圧源を高出力型の電源としてもよい。また、第１電圧源および第２電圧源を、同等の特性のものとしてもよい。
（ウ）負荷
上記実施形態では、負荷は、第２電圧源に接続される。他の実施形態では、第１電圧源に負荷を接続してもよいし、第１電圧源および第２電圧源にそれぞれ負荷を接続するようにしてもよい。

（エ）モータジェネレータ
上記実施形態では、モータジェネレータは、３相交流の回転機である。他の実施形態では、モータジェネレータは、例えば４相以上の回転機等、どのようなものであってもよい。また、第１実施形態および第２実施形態のモータジェネレータが、第３実施形態のように駆動源により駆動されるように構成してもよい。
第１実施形態のモータジェネレータは主機モータであり、第３実施形態のモータジェネレータはＩＳＧである。他の実施形態では、モータジェネレータは、主機モータおよびＩＳＧ以外の補機モータ等の他のモータであってもよい。また、モータジェネレータを車両以外に適用してもよい。
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。

１・・・電力変換装置
１０・・・モータジェネレータ
１１〜１３・・・コイル（巻線）
２０・・・第１インバータ
３０・・・第２インバータ
４１、４６・・・第１バッテリ（第１電圧源）
４２、４７・・・第２バッテリ（第２電圧源）
４５・・・キャパシタ（第１電圧源）
６０・・・制御部

Claims (9)

1. 巻線（１１、１２、１３）を有するモータジェネレータ（１０、１５）の電力を変換する電力変換装置（１）であって、
   前記巻線の一端（１１１、１２１、１３１）および第１電圧源（４１、４５、４６）と接続される第１インバータ（２０）と、
   前記巻線の他端（１１２、１２２、１３２）および第２電圧源（４２、４７）と接続される第２インバータ（３０）と、
   前記モータジェネレータの発電量に応じて前記第１インバータおよび前記第２インバータを制御し、前記第１電圧源および前記第２電圧源の充電量を可変とする制御部（６０）と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記モータジェネレータ（１５）は、駆動源（１６）により駆動され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、前記発電量が前記第１電圧源にて充電可能な最大量より大きい場合、前記第１電圧源の充電量を最大とし、余剰分を前記第２電圧源に充電させ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。
4. 前記制御部は、前記発電量が前記第１電圧源または前記第２電圧源の一方にて充電可能である場合、前記一方の前記第１電圧源または前記第２電圧源に充電させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 前記制御部は、前記モータジェネレータの回生制動により生じる回生電力を前記第１電圧源に優先的に充電させ、前記駆動源により前記モータジェネレータが駆動されて生じる発電電力を前記第２電圧源に優先的に充電させることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
6. 前記第１電圧源は、前記第２電圧源より内部抵抗が小さいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
7. 前記第１電圧源は、前記第２電圧源より高出力であり、
   前記第２電圧源は、前記第１電圧源より高容量であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
8. 前記第１電圧源は、キャパシタであることを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
9. 前記第１電圧源および前記第２電圧源の少なくとも一方には、負荷（５０）が接続されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の電力変換装置。

Images