JP4589056B2 - 電力変換装置およびそれを備えた車両 - Google Patents

Description

この発明は、電力変換装置およびそれを備えた車両に関し、特に、マトリックスコンバータを用いた電力変換装置およびそれを備えた車両に関する。

従来より、電気自動車の一形態として直流電源に燃料電池を用いた燃料電池車が知られている。燃料電池車においては、動力源としての交流モータの回生時に発生した回生エネルギーを回収するための二次電池が一般に備えられている。そして、このような燃料電池車においては、燃料電池および／または二次電池から出力される直流電力を交流電力に変換して交流モータに供給したり、交流モータの回生動作時に発生した交流電力を直流電力に変換して二次電池を充電したり、さらには、燃料電池からの直流電力を所定の直流電圧に電圧変換して二次電池を充電したりするなど、燃料電池、二次電池および交流モータ間で様々な電力変換が行なわれる。

従来より、このような複数の直流電源および交流モータ間で電力の変換を行なう電力変換装置としては、直流−交流変換を行なうインバータと、直流間で電圧変換を行なうコンバータとを組合わせた電力変換装置が一般に用いられている。

一方、近年、電力変換装置としてマトリックスコンバータが注目されている。マトリックスコンバータは、電流を双方向に流すことができる複数の双方向性スイッチを用いてＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を行なうことにより、任意の周波数の電力を直接生成することができる。そして、マトリックスコンバータは、上述した従来の電力変換装置に設けられている直流リンク部を備えないため装置を小型化することができ、また、小容量のスイッチを用いて大容量かつ高効率の電力変換を実現できるなどの特徴を有するため、特に小型化や高効率化に対する要求特性の高い電気自動車やハイブリッド自動車においては、マトリックスコンバータに対する期待が高い。

このようなマトリックスコンバータの構成の一例を示すものとして、特表２００２−５３４０５０号公報（特許文献１）は、３行３列に配置された９個の双方向スイッチからなるマトリックスコンバータの構成を開示する。
特表２００２−５３４０５０号公報

しかしながら、マトリックスコンバータを用いた電力変換装置を燃料電池車などの車両に適用する場合、以下の課題解決が望まれている。

第１に、マトリックスコンバータを構成するスイッチの数を削減することである。マトリックスコンバータは、一般に、多数のスイッチング素子を必要とする。上述のように、マトリックスコンバータは、直流リンク部を備えていないため、従来の電力変換装置と比べて小型ではあるが、コスト面や、小型化が強く要求される車両への実装面などから、スイッチの削減が望まれる。

第２に、任意の電圧レベルでモータの回生動作を実現することである。従来の電力変換装置では、回生動作が正常に行なわれるためには、回生動作時におけるモータの起電圧が二次電池の電圧レベルよりも低い必要があった。そこで、回生電力の回収効率を高めるため、モータの起電圧が二次電池の電圧レベルより高いときにも、二次電池への回生転流を行なうことができる電力変換装置が望まれる。

そして、特許文献１に開示されたマトリックスコンバータを含め、従来のマトリックスコンバータでは、このような課題を解決することはできない。

そこで、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、マトリックスコンバータを用いて複数の直流電源および電気負荷の間で相互に電力の変換を行ない、かつ、マトリックスコンバータのスイッチの数を削減した電力変換装置を提供することである。

また、この発明の別の目的は、マトリックスコンバータを用いて複数の直流電源および電気負荷の間で相互に電力の変換を行ない、かつ、任意の電圧レベルで電気負荷の回生動作を実現する電力変換装置を提供することである。

また、この発明の別の目的は、マトリックスコンバータを用いて複数の直流電源および電気負荷の間で相互に電力の変換を行ない、かつ、マトリックスコンバータのスイッチの数を削減した電力変換装置を備えた車両を提供することである。

また、この発明の別の目的は、マトリックスコンバータを用いて複数の直流電源および電気負荷の間で相互に電力の変換を行ない、かつ、任意の電圧レベルで多相交流回転機の回生動作を実現する電力変換装置を備えた車両を提供することである。

この発明によれば、電力変換装置は、第１および第２の直流電源ならびに電気負荷に接続され、かつ、第１の直流電源と第２の直流電源と電気負荷との間で相互に電力変換を行なうマトリックスコンバータと、マトリックスコンバータの動作を制御する制御装置とを備え、第１および第２の直流電源は、マトリックスコンバータに並列に接続され、第１の直流電源の負極端子および第２の直流電源の正極端子は、共通の第１の電源ラインを介してマトリックスコンバータと接続される。

好ましくは、第１の直流電源は、燃料電池であり、第２の直流電源は、二次電池であり、マトリックスコンバータは、燃料電池の正極端子が接続される第２の電源ラインに接続される複数の片方向性スイッチと、第１の電源ライン、および二次電池の負極端子が接続される第３の電源ラインにそれぞれ接続される複数の双方向性スイッチとを含む。

好ましくは、電力変換装置は、第１の直流電源に並列に第１および第２の電源ライン間に設けられる第１のコンデンサと、第２の直流電源に並列に第１および第３の電源ライン間に設けられる第２のコンデンサと、第１から第３の電源ラインに接続されるチョッパ回路とをさらに備え、制御装置は、燃料電池からの電力または第１のコンデンサに蓄えられた電力が降圧されて二次電池に供給されるようにチョッパ回路をさらに制御する。

好ましくは、電気負荷は、交流回転機であり、交流回転機の回生動作時における交流回転機の最大起電圧が二次電池の端子間電圧以下のとき、制御装置は、交流回転機からの回生電力が二次電池に直接供給されるようにマトリックスコンバータを制御し、交流回転機の最大起電圧が二次電池の端子間電圧よりも高いとき、制御装置は、第１および第２のコンデンサに回生電力が一時的に蓄えられるようにマトリックスコンバータを制御し、その後、第１のコンデンサに蓄えられた電力を降圧して二次電池に供給するようにチョッパ回路を制御する。

好ましくは、チョッパ回路は、第２の電源ラインに一端が接続されるスイッチと、スイッチの他端と第１の電源ラインとの間に設けられるコイルと、スイッチおよびコイルの接続点と第３の電源ラインとの間に設けられ、接続点および第３の電源ラインにそれぞれカソードおよびアノードが接続される還流ダイオードとを含む。

好ましくは、電力変換装置は、第１の直流電源に並列に第１および第２の電源ライン間に設けられる第１のコンデンサと、第２の直流電源に並列に第１および第３の電源ライン間に設けられる第２のコンデンサと、電気負荷に接続される第４の電源ラインと、第１および第４の電源ライン間に設けられるスイッチとをさらに備え、電気負荷は、交流回転機であり、第４の電源ラインは、交流回転機の中性点に接続され、制御装置は、交流回転機のコイル、第４の電源ライン、スイッチおよびマトリックスコンバータを用いて構成されるチョッパ回路によって、燃料電池からの電力または第１のコンデンサに蓄えられた電力を降圧して二次電池に供給するようにスイッチおよびマトリックスコンバータを制御する。

好ましくは、交流回転機の回生動作時における交流回転機の最大起電圧が二次電池の端子間電圧以下のとき、制御装置は、交流回転機からの回生電力が二次電池に直接供給されるようにマトリックスコンバータを制御し、交流回転機の最大起電圧が二次電池の端子間電圧よりも高いとき、制御装置は、第１および第２のコンデンサに回生電力が一時的に蓄えられるようにマトリックスコンバータを制御し、その後、スイッチをオンさせるとともに、第１のコンデンサに蓄えられた電力をチョッパ回路により降圧して二次電池に供給するようにマトリックスコンバータを制御する。

好ましくは、チョッパ回路は、チョッパ動作を行なう少なくとも１つの片方向性スイッチと、交流回転機のコイルと、第４の電源ラインと、スイッチと、二次電池の負極から、交流回転機のコイルおよび中性点、第４の電源ライン、スイッチならびに第１の電源ラインを介して二次電池の正極に電流を還流させるための、第３の電源ラインに接続された少なくとも１つの双方向性スイッチとによって構成される。

また、この発明によれば、車両は、上述したいずれかの電力変換装置を備える。

この発明による電力変換装置においては、第１および第２の直流電源は、マトリックスコンバータに並列に接続され、第１の直流電源の負極端子および第２の直流電源の正極端子は、共通の第１の電源ラインを介してマトリックスコンバータと接続されるので、第１および第２の直流電源をマトリックスコンバータと接続する電源ラインの数が削減される。

したがって、この発明によれば、電源ラインを共通化することなく第１および第２の直流電源をマトリックスコンバータに単純に並列に接続した場合に比べて、マトリックスコンバータを構成するスイッチの数が削減される。

また、この発明による電力変換装置によれば、第１の直流電源を構成する燃料電池の正極端子が接続される第２の電源ラインに接続されるマトリックスコンバータのスイッチを片方向性スイッチで構成したので、マトリックスコンバータを構成するパワー半導体素子の数をさらに削減することができる。

また、この発明による電力変換装置においては、第１および第２のコンデンサとチョッパ回路とが備えられ、制御装置は、交流回転機の回生動作時における最大起電圧が二次電池の電圧レベルよりも高いとき、第１および第２のコンデンサに回生電力が一時的に蓄えられるようにマトリックスコンバータを制御し、その後、第１のコンデンサに蓄えられた電力を降圧して二次電池に供給するようにチョッパ回路を制御するようにしたので、回生電力の電圧レベルが高くなる交流回転機の高速回転時においても、交流回転機から二次電池への回生動作が実行される。

したがって、この発明によれば、任意の回生電圧すなわち任意の回転速度で交流回転機の回生動作を実現することができ、その結果、回生電力の回収効率が向上する。

また、この発明による電力変換装置においては、交流回転機のコイル、第４の電源ライン、スイッチおよびマトリックスコンバータを用いてチョッパ回路が構成されるので、コイルを別途設けることなくチョッパ回路が構成され、このチョッパ回路を用いることによって、回生電力の電圧レベルが高くなる交流回転機の高速回転時においても、交流回転機から二次電池への回生動作が実行される。

したがって、この発明によれば、チョッパ回路を構成するための装置体格の増大を抑えたうえで、任意の回生電圧すなわち任意の回転速度で交流回転機の回生動作を実現することができる。

また、この発明による車両によれば、上述した電力変換装置を備えるので、車両において特に強く要求される小型化および静粛性の向上が実現される。また、任意の速度領域で交流回転機の回生動作を実現できるので、エネルギー効率が向上する。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による電力変換装置が搭載された燃料電池車における電力システムの主要部の構成を示す電気回路図である。

図１を参照して、この電力システム１０は、燃料電池ＦＣと、バッテリＢＡＴと、モータジェネレータＭＧと、マトリックスコンバータＭＣと、コンデンサＣ１，Ｃ２と、片方向性スイッチＳＡｄと、リアクトルＬと、ダイオードＤ１と、電源ラインＬＡ〜ＬＤ，Ｌａ〜Ｌｄと、制御装置５２とを備える。

燃料電池ＦＣは、電源ラインＬＡ，ＬＢを介してマトリックスコンバータＭＣと接続され、バッテリＢＡＴは、電源ラインＬＢ，ＬＣを介してマトリックスコンバータＭＣと接続される。すなわち、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴは、並列にマトリックスコンバータに接続され、かつ、電源ラインＬＢが共通化されている。そして、電源ラインＬＡ，ＬＢ間にコンデンサＣ１が設けられ、電源ラインＬＢ，ＬＣ間にコンデンサＣ２が設けられる。

また、モータジェネレータＭＧは、電源ラインＬａ〜Ｌｃを介してマトリックスコンバータＭＣと接続される。片方向性スイッチＳＡｄは、電源ラインＬＡ，ＬＤ間に接続され、リアクトルＬは、電源ラインＬＤ，ＬＢ間に接続される。ダイオードＤ１は、アノードおよびカソードがそれぞれ電源ラインＬＣ，Ｌｄに接続される。

燃料電池ＦＣは、たとえば水素などの燃料と酸化剤との化学反応によって発生する化学反応エネルギーから電気エネルギーを得る直流電力発電電池である。燃料電池ＦＣは、発電した直流電力をマトリックスコンバータＭＣに供給する。バッテリＢＡＴは、たとえば、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池である。バッテリＢＡＴは、直流電力をマトリックスコンバータＭＣに供給するとともに、マトリックスコンバータＭＣから受ける直流電力によって充電される。なお、燃料電池ＦＣの端子間電圧は、たとえば４００Ｖ程度であり、バッテリＢＡＴの端子間電圧は、たとえば２００Ｖ程度である。

モータジェネレータＭＧは、３相交流同期電動発電機であり、外周面に複数個の永久磁石を有するロータ（図示せず）と、回転磁界を形成する３相コイルが巻回されたステータ（図示せず）とを含む。モータジェネレータＭＧは、永久磁石による磁界と３相コイルによって形成される磁界との相互作用によりロータを回転駆動する電動機として動作するとともに、永久磁石による磁界とロータの回転との相互作用により３相コイルの両端に起電力を生じさせる発電機として動作する。

マトリックスコンバータＭＣは、第１および第２のスイッチ群５４，５６を含む。第１のスイッチ群５４は、片方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃからなり、第２のスイッチ群５６は、双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃからなる。そして、各スイッチＳＸｙ（「Ｘ」はＡ〜Ｃを表し、「ｙ」はａ〜ｃを表す。）は、それぞれ電源ラインＬＸ，Ｌｙ間に設けられ、制御装置５２からの制御信号に応じてオン／オフ動作を行なう。

片方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃの各々は、パワートランジスタと、それに逆並列に接続されるダイオードとからなる。パワートランジスタは、たとえばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）からなる。双方向性スイッチの構成については、後ほど説明する。

このマトリックスコンバータＭＣは、燃料電池ＦＣとバッテリＢＡＴとモータジェネレータＭＧとの間で相互に電力変換を行なう。また、マトリックスコンバータＭＣは、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴを直列に接続して直流電源を高電圧化し、その高電圧化された直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータＭＧへ出力することができる。マトリックスコンバータＭＣの動作については、後ほど、燃料電池ＦＣとバッテリＢＡＴとモータジェネレータＭＧとの間におけるパワーフローパターンごとに詳しく説明する。

片方向性スイッチＳＡｄは、第１のスイッチ群５４における片方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃと同様に、たとえばＩＧＢＴからなるパワートランジスタと、それに逆並列に接続されるダイオードとからなる。そして、片方向性スイッチＳＡｄは、制御装置５２からの制御信号に応じてオン／オフ動作を行なう。

片方向性スイッチＳＡｄ、リアクトルＬおよびダイオードＤ１は、チョッパ回路を構成する。具体的には、片方向性スイッチＳＡｄ、リアクトルＬおよびダイオードＤ１は、燃料電池ＦＣまたはコンデンサＣ１からバッテリＢＡＴに電力を供給する際に、燃料電池ＦＣまたはコンデンサＣ１からの直流電圧をバッテリＢＡＴの電圧レベルに降圧する。このチョッパ回路の動作については、後ほど詳しく説明する。

制御装置５２は、モータジェネレータＭＧのトルク指令値、各相電流値、ならびに燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴの出力電圧を入力してモータジェネレータＭＧの各相コイルの電圧を演算する。ここで、モータジェネレータＭＧの各相電流値は、図示されない電流センサにより検出され、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴの出力電圧は、図示されない電圧センサにより検出される。

そして、制御装置５２は、この電力システム１０のパワーフローパターンおよび算出したモータジェネレータＭＧの各相の電圧演算結果に基づいて、燃料電池ＦＣまたは／およびバッテリＢＡＴからモータジェネレータＭＧへ所望の電力を供給するためのＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を各スイッチＳＸｙへ出力する。

また、制御装置５２は、モータジェネレータＭＧの各相の電圧ならびに燃料電池およびバッテリＢＡＴの端子間電圧を検出し、その検出結果に基づいて、モータジェネレータＭＧまたは燃料電池ＦＣからバッテリＢＡＴへ電力を供給するための制御信号を生成する。そして、制御装置５２は、その生成した制御信号を各スイッチＳＸｙ，ＳＡｄへ出力する。ここで、モータジェネレータＭＧの各相の電圧は、図示されない電圧センサにより検出される。

なお、電力システム１０のパワーフローパターン、およびそのパワーフローパターンに応じた電力システム１０の具体的な動作は、後ほど詳しく説明する。

この電力システム１０の構成上の特徴は、第１に、マトリックスコンバータＭＣに並列に接続される燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴをマトリックスコンバータＭＣと接続する電源ラインが一部共通化されていることである。すなわち、燃料電池ＦＣの負極およびバッテリＢＡＴの正極は、共通の電源ラインＬＢによってマトリックスコンバータＭＣと接続されている。このような構成とすることにより、マトリックスコンバータＭＣを構成するスイッチを１行分削減することができる。また、接続スイッチなどを別途設けることなく、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴを直列接続した電源を構成できる。

第２の特徴は、第１のスイッチ群５４を片方向性スイッチで構成したことである。燃料電池ＦＣにおいては、電源ラインからの充電は行なわれないため、電源ラインＬａ〜Ｌｃから電源ラインＬＡへの電力の流れを制御するスイッチング素子を削除したものである。これにより、マトリックスコンバータＭＣを構成するパワー半導体素子の数がさらに削減される。

第３の特徴は、片方向性スイッチＳＡｄ、リアクトルＬおよびダイオードＤ１によって構成されるチョッパ回路を設けたことである。これにより、後述するように、モータジェネレータＭＧの発電電圧が高くなる高速回転時においても、モータジェネレータＭＧからバッテリＢＡＴへの回生動作を実現することができる。

なお、上記において、バッテリＢＡＴは、「二次電池」を構成し、モータジェネレータＭＧは、「ｎ相交流回転機」を構成する。また、電源ラインＬＡ〜ＬＣは、それぞれ「第２の電源ライン」、「第１の電源ライン」および「第３の電源ライン」を構成する。さらに、片方向性スイッチＳＡｄは、「スイッチ」を構成し、リアクトルＬは、「コイル」を構成する。

図２は、図１に示した双方向性スイッチの構成を示す回路図である。

図２を参照して、双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃの各々は、パワートランジスタ６２，６６と、ダイオード６４，６８とからなる。パワートランジスタ６２，６６は、たとえば、ＩＧＢＴからなる。

パワートランジスタ６２は、コレクタおよびエミッタがそれぞれ端子７０およびノードＮＤ１に接続され、制御装置５２（図示せず、以下同じ。）からの制御信号をベースに受ける。ダイオード６４は、パワートランジスタ６２に逆並列に設けられる。また、パワートランジスタ６６は、コレクタおよびエミッタがそれぞれ端子７２およびノードＮＤ２に接続され、制御装置５２からの制御信号をベースに受ける。ダイオード６８は、パワートランジスタ６６に逆並列に設けられる。そして、ノードＮＤ１，ＮＤ２は互いに接続され、端子７０，７２は、対応する２つの電源ラインにそれぞれ接続される。

このスイッチにおいては、制御装置５２からの制御信号が活性化されると、パワートランジスタ６２，６６がいずれもオンし、端子７２よりも端子７０の方が高電圧のときは、パワートランジスタ６２およびダイオード６８を介して端子７０から端子７２へ電流が流れる。ここで、ダイオード６４には逆バイアスがかかるので、パワートランジスタ６６に逆方向の電流は流れず、パワートランジスタ６６が保護される。一方、端子７０よりも端子７２の方が高電圧のときは、パワートランジスタ６６およびダイオード６４を介して端子７２から端子７０へ電流が流れる。ここで、ダイオード６８には逆バイアスがかかるので、パワートランジスタ６２に逆方向の電流は流れず、パワートランジスタ６２が保護される。

図３は、図１に示した双方向性スイッチの他の構成を示す回路図である。

図３を参照して、双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃの各々は、パワートランジスタ８２，８６と、ダイオード８４，８８とからなる。パワートランジスタ８２，８６は、たとえば、ＩＧＢＴからなる。

パワートランジスタ８２は、コレクタおよびエミッタがそれぞれダイオード８４のカソードおよび端子７２に接続され、制御装置５２（図示せず、以下同じ。）からの制御信号をベースに受ける。ダイオード８４は、アノードおよびカソードがそれぞれ端子７０およびパワートランジスタ８２に接続される。また、パワートランジスタ８６は、コレクタおよびエミッタがそれぞれダイオード８８のカソードおよび端子７０に接続され、制御装置５２からの制御信号をベースに受ける。ダイオード８８は、アノードおよびカソードがそれぞれ端子７２およびパワートランジスタ８６に接続される。

このスイッチにおいても、制御装置５２からの制御信号が活性化されると、パワートランジスタ８２，８６がいずれもオンし、端子７２よりも端子７０の方が高電圧のときは、ダイオード８４およびパワートランジスタ８２を介して端子７０から端子７２へ電流が流れる。一方、端子７０よりも端子７２の方が高電圧のときは、ダイオード８８およびパワートランジスタ８６を介して端子７２から端子７０へ電流が流れる。

図４は、図１に示した双方向性スイッチのさらに他の構成を示す回路図である。

図４を参照して、双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃの各々は、逆阻止機能付きのパワートランジスタ９２，９４からなり、たとえば、逆阻止機能付きＩＧＢＴからなる。この逆阻止機能付きＩＧＢＴは、素子に逆方向の電圧がかけられても十分な耐圧を有するＩＢＧＴである。

パワートランジスタ９２は、コレクタおよびエミッタがそれぞれ端子７０，７２に接続され、制御装置５２（図示せず、以下同じ。）からの制御信号をベースに受ける。パワートランジスタ９４は、コレクタおよびエミッタがそれぞれ端子７２，７０に接続され、制御装置５２からの制御信号をベースに受ける。

このスイッチにおいても、制御装置５２からの制御信号が活性化されると、パワートランジスタ９２，９４がいずれもオンし、端子７２よりも端子７０の方が高電圧のときは、パワートランジスタ９２を介して端子７０から端子７２へ電流が流れる。ここで、パワートランジスタ９４には逆バイアスがかかるが、パワートランジスタ９４は、逆耐圧を有するので、素子が破壊されることはない。また、端子７０よりも端子７２の方が高電圧のときは、パワートランジスタ９４を介して端子７２から端子７０へ電流が流れる。なお、パワートランジスタ９２には逆バイアスがかかるが、パワートランジスタ９２も、逆耐圧を有するので、素子が破壊されることはない。

図５〜図２８は、図１に示した電力システム１０のパワーフローパターンに応じたマトリックスコンバータＭＣの具体的な動作および電流の流れを説明するための図である。ここで、この電力システム１０には、下記の６つのパワーフローパターンＰ１〜Ｐ６が存在する。
（Ｐ１）燃料電池ＦＣが力行（電力を出力）でモータジェネレータＭＧが力行動作
（Ｐ２）燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴが力行でモータジェネレータＭＧが力行動作
（Ｐ３）燃料電池ＦＣが力行でモータジェネレータＭＧが力行動作およびバッテリＢＡＴが回生（充電）
（Ｐ４）モータジェネレータＭＧが回生動作でバッテリＢＡＴが回生
（Ｐ５）バッテリＢＡＴが力行でモータジェネレータＭＧが力行動作
（Ｐ６）燃料電池ＦＣが力行でバッテリＢＡＴが回生
図５は、燃料電池ＦＣが力行でモータジェネレータＭＧが力行動作時の電力の流れを示すブロック図であり、図６は、図５に示したパワーフローパターンＰ１時の電力の流れを示す電気回路図である。

図５，図６を参照して、制御装置５２は、モータジェネレータＭＧのトルク指令値、各相電流値、および燃料電池ＦＣの出力電圧を入力してモータジェネレータＭＧの各相コイルの電圧を演算する。そして、制御装置５２は、算出したモータジェネレータＭＧの各相の電圧演算結果に基づいてＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を片方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃおよび双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃへ出力する。

そうすると、片方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃおよび双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃの各々は、制御装置５２から受けるＰＷＭ信号に応じてオン／オフし、燃料電池ＦＣから出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ動作を行なう。これによって、燃料電池ＦＣから出力される直流電力がマトリックスコンバータＭＣにより交流電力に変換されてモータジェネレータＭＧに供給される。

なお、このパワーフローパターンＰ１では、その他の双方向性スイッチＳＣａ〜ＳＣｃおよび片方向性スイッチＳＡｄは、常時オフされる。

図７は、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴが力行でモータジェネレータＭＧが力行動作時の電力の流れを示すブロック図であり、図８は、図７に示したパワーフローパターンＰ２時の電力の流れを示す電気回路図である。すなわち、このパワーフローパターンＰ２では、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴが直列接続され、高電圧の電力がモータジェネレータＭＧに供給される。

図７，図８を参照して、制御装置５２は、モータジェネレータＭＧのトルク指令値、各相電流値、ならびに燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴの出力電圧を入力してモータジェネレータＭＧの各相コイルの電圧を演算する。そして、制御装置５２は、算出したモータジェネレータＭＧの各相の電圧演算結果に基づいてＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を片方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃおよび双方向性スイッチＳＣａ〜ＳＣｃへ出力する。

そうすると、片方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃおよび双方向性スイッチＳＣａ〜ＳＣｃの各々は、制御装置５２から受けるＰＷＭ信号に応じてオン／オフし、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴから出力される電源ラインＬＡ，ＬＣ間の直流電圧を交流電圧に変換するインバータ動作を行なう。これによって、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴから電源ラインＬＡ，ＬＣ間に出力される高電圧の直流電力がマトリックスコンバータＭＣにより交流電力に変換されてモータジェネレータＭＧに供給される。

なお、このパワーフローパターンＰ２では、その他の双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃおよび片方向性スイッチＳＡｄは、常時オフされる。したがって、燃料電池ＦＣの負極およびバッテリＢＡＴの正極が接続される電源ラインＬＢに電流が流れることはない。

図９は、燃料電池ＦＣが力行でモータジェネレータＭＧが力行動作およびバッテリＢＡＴが回生時の電力の流れを示すブロック図であり、図１０，図１１は、図９に示したパワーフローパターンＰ３時の電力の流れを示す電気回路図である。ここで、このパワーフローパターンＰ３時においては、制御装置５２は、第１および第２の動作モードを交互に切替えて実行する。そして、図１０，図１１では、それぞれ第１および第２の動作モード時の電力の流れが示される。

図９，図１０を参照して、制御装置５２は、第１の動作モード時、パワーフローパターンＰ１のときと同様に、モータジェネレータＭＧの各相コイルの電圧を演算する。そして、制御装置５２は、算出したモータジェネレータＭＧの各相の電圧演算結果に基づいてＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を片方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃおよび双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃへ出力する。これにより、第１の動作モードにおいては、燃料電池ＦＣから出力される直流電力がマトリックスコンバータＭＣにより交流電力に変換されてモータジェネレータＭＧに供給される。

図１１を参照して、制御装置５２は、第２の動作モード時、片方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃをオフさせ、燃料電池ＦＣからモータジェネレータＭＧへの電力供給を停止させる。そして、制御装置５２は、モータジェネレータＭＧの各相電圧およびバッテリＢＡＴの端子間電圧に基づいて、モータジェネレータＭＧからバッテリＢＡＴへ電力を供給するためのＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃへ出力する。

そうすると、双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃの各々は、制御装置５２から受けるＰＷＭ信号に応じてオン／オフし、モータジェネレータＭＧから電源ラインＬａ〜Ｌｃに出力された交流電力を整流してバッテリＢＡＴへ出力する。これによって、バッテリＢＡＴが充電される。

このように、第１の動作モード時に、燃料電池ＦＣからモータジェネレータＭＧへ電力が供給され、第２の動作モード時に、燃料電池ＦＣからの電力によって駆動されたモータジェネレータＭＧからバッテリＢＡＴへ電力が供給される。すなわち、モータジェネレータＭＧを介して燃料電池ＦＣからバッテリＢＡＴへ電力の供給が行なわれる。そして、制御装置５２は、この第１および第２の動作モードの切替デューティ比を制御することによって、バッテリＢＡＴに供給される電圧をバッテリＢＡＴの電圧レベルに調整する。

図１２，図１３は、図９に示したパワーフローパターンＰ３時の他の動作方法を説明するための電気回路図である。この動作方法においても、図１０，図１１の場合と同様に、第１および第２の動作モードが交互に切替えられて実行される。そして、第１の動作モードは、図１０に示した動作と同じであり、第２の動作モードが図１１に示した動作と異なる。そこで、この図１２，図１３では、第２の動作モードのみが示される。

図１２を参照して、制御装置５２は、第２の動作モード時、マトリックスコンバータＭＣの各スイッチをオフさせ、片方向性スイッチＳＡｄをオンさせる。そうすると、燃料電池ＦＣから片方向性スイッチＳＡｄを介してリアクトルＬに電流が流れる。そして、図１３を参照して、制御装置５２によって片方向性スイッチＳＡｄがオフされると、リアクトルＬは、蓄えられたエネルギーを電源ラインＬＢに放出し、図の矢印に示される閉回路が構成されることによってバッテリＢＡＴが充電される。

このように、片方向性スイッチＳＡｄ、リアクトルＬおよびダイオードＤ１は、チョッパ回路を構成し、燃料電池ＦＣからの出力電圧をバッテリＢＡＴの電圧レベルに降圧してバッテリＢＡＴを充電する。

図１４は、図９に示したパワーフローパターンＰ３時のさらに他の動作方法を説明するための電気回路図である。この動作方法においても、図１０，図１１の場合と同様に、第１および第２の動作モードが交互に切替えられて実行される。そして、第１の動作モードは、図１０に示した動作と同じであり、第２の動作モードが図１１に示した動作と異なる。そこで、この図１４では、第２の動作モードのみが示される。

図１４を参照して、制御装置５２は、第２の動作モード時、たとえば図に示されるように電源ラインＬｃからモータジェネレータＭＣ内のコイルを介して電源ラインＬｂに電流が流れているとき、電源ラインＬｂ，Ｌｃ間の線間電圧およびバッテリＢＡＴの電圧に基づいてＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を双方向性スイッチＳＢｂ，ＳＣｃへ出力する。

そうすると、双方向性スイッチＳＢｂ，ＳＣｃは、制御装置５２から受けるＰＷＭ信号に応じてオン／オフし、モータジェネレータＭＧのコイルに蓄えられたエネルギーがバッテリＢＡＴへ放出されてバッテリＢＡＴが充電される。ここで、制御装置５２は、双方向性スイッチＳＢｂ，ＳＣｃの各々のデューティ比を制御することにより、モータジェネレータＭＧからの電力をバッテリＢＡＴの電圧レベルに調整する。また、制御装置５２は、電源ラインＬａ〜Ｌｃの線間電圧に応じて、ＰＷＭ制御を行なうスイッチを切替える。これにより、バッテリＢＡＴが安定的に充電される。

図１５は、モータジェネレータＭＧが回生動作でバッテリＢＡＴが回生時の電力の流れを示すブロック図である。また、図１６は、図１５に示したパワーフローパターンＰ４時においてモータジェネレータＭＧが低速回転時の電力の流れを示す電気回路図である。ここで、モータジェネレータＭＧの回生動作時における最大起電圧がバッテリＢＡＴの電圧レベル以下のときを低速回転時としており、モータジェネレータＭＧの最大起電圧がバッテリＢＡＴの電圧レベルよりも高くなる高速回転時については、後ほど説明する。

図１５，図１６を参照して、モータジェネレータＭＧの低速回転時、制御装置５２は、モータジェネレータＭＧの各相電圧およびバッテリＢＡＴの端子間電圧に基づいて、モータジェネレータＭＧからバッテリＢＡＴへ電力を供給するためのＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃへ出力する。

そうすると、双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃの各々は、制御装置５２からのＰＷＭ信号に応じてオン／オフし、モータジェネレータＭＧから電源ラインＬａ〜Ｌｃに出力された交流電力を所定のバッテリ電圧に整流してバッテリＢＡＴに供給する。

図１７〜図１９は、図１５に示したパワーフローパターンＰ４時においてモータジェネレータＭＧが高速回転時の電力の流れを示す電気回路図である。

図１７を参照して、モータジェネレータＭＧの高速回転時、制御装置５２は、第１の動作モードにおいて、モータジェネレータＭＧからコンデンサＣ１，Ｃ２へ電力を出力するためのＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を双方向性スイッチＳＣａ〜ＳＣｃへ出力する。

そうすると、双方向性スイッチＳＣａ〜ＳＣｃの各々は、制御装置５２からのＰＷＭ信号に応じてオン／オフし、モータジェネレータＭＧから電源ラインＬａ〜Ｌｃに出力された電力がコンデンサＣ１，Ｃ２に充電される。なお、電源ラインＬａ〜ＬｃからコンデンサＣ１への電力供給は、片方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃにおけるダイオードを介して行なわれる。

図１８を参照して、上述した第１の動作モードに続く第２の動作モードにおいて、制御装置５２は、マトリックスコンバータＭＣの各スイッチをオフさせ、片方向性スイッチＳＡｄをオンさせる。そうすると、第１の動作モードにおいて電荷が蓄えられたコンデンサＣ１から片方向性スイッチＳＡｄを介してリアクトルＬに電流が流れる。そして、図１９を参照して、制御装置５２によって片方向性スイッチＳＡｄがオフされると、リアクトルＬは、蓄えられたエネルギーを電源ラインＬＢに放出し、図の矢印に示される閉回路が構成されることによってバッテリＢＡＴが充電される。

このように、この実施の形態１によれば、モータジェネレータＭＧの高速回転時に発生する高電圧の発電電力をコンデンサＣ１，Ｃ２に一旦蓄積し、片方向性スイッチＳＡｄ、リアクトルＬおよびダイオードＤ１により構成されるチョッパ回路によって、コンデンサＣ１に蓄積された電力を降圧してバッテリＢＡＴを充電することができる。したがって、この実施の形態１では、任意の電圧レベルでモータジェネレータＭＧの回生動作を実現することができる。

図２０は、バッテリＢＡＴが力行でモータジェネレータＭＧが力行動作時の電力の流れを示すブロック図であり、図２１は、図２０に示したパワーフローパターンＰ５時の電力の流れを示す電気回路図である。

図２０，図２１を参照して、制御装置５２は、モータジェネレータＭＧのトルク指令値、各相電流値、およびバッテリＢＡＴの出力電圧を入力してモータジェネレータＭＧの各相コイルの電圧を演算する。そして、制御装置５２は、算出したモータジェネレータＭＧの各相の電圧演算結果に基づいてＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃへ出力する。

そうすると、双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃの各々は、制御装置５２から受けるＰＷＭ信号に応じてオン／オフし、バッテリＢＡＴから出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ動作を行なう。これによって、バッテリＢＡＴから出力される直流電力がマトリックスコンバータＭＣにより交流電力に変換されてモータジェネレータＭＧに供給される。

なお、このパワーフローパターンＰ５では、片方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｄは、常時オフされる。

図２２は、燃料電池ＦＣが力行でバッテリＢＡＴが回生時の電力の流れを示すブロック図であり、図２３，図２４は、図２２に示したパワーフローパターンＰ６時の電力の流れを示す電気回路図である。

図２２，図２３を参照して、制御装置５２は、マトリックスコンバータＭＣの各スイッチをオフさせ、片方向性スイッチＳＡｄをオンさせる。そうすると、燃料電池ＦＣから片方向性スイッチＳＡｄを介してリアクトルＬに電流が流れる。そして、図２４を参照して、制御装置５２によって片方向性スイッチＳＡｄがオフされると、リアクトルＬは、蓄えられたエネルギーを電源ラインＬＢに放出し、図の矢印に示される閉回路が構成されることによってバッテリＢＡＴが充電される。

すなわち、このパワーフローパターンＰ６においても、上述のように、片方向性スイッチＳＡｄ、リアクトルＬおよびダイオードＤ１により構成されるチョッパ回路によって燃料電池ＦＣからの直流電圧が降圧され、バッテリＢＡＴが充電される。

図２５，図２６は、図２２に示したパワーフローパターンＰ６時の他の動作方法を説明するための電気回路図である。この動作方法においては、リアクトルＬの代わりにモータジェネレータＭＧのコイルを用いてチョッパ回路が構成される。

図２５を参照して、たとえば、電源ラインＬｂ，Ｌｃに接続されるモータジェネレータＭＧのコイルをリアクトルＬの代わりに用いる場合、制御装置５２は、第１の動作モードにおいて、片方向性スイッチＳＡｃおよび双方向性スイッチＳＢｂをオンさせる。そうすると、図の矢印で示されるように閉回路が構成され、燃料電池ＦＣからの電力がモータジェネレータＭＧの上記コイルに一旦蓄えられる。

図２６を参照して、制御装置５２は、第１の動作モードに続く第２の動作モードにおいて、片方向性スイッチＳＡｄをオフさせ、双方向性スイッチＳＢｂ，ＳＣｃをオンさせる。そうすると、図の矢印で示されるように閉回路が構成され、モータジェネレータＭＧのコイルに蓄えられていたエネルギーがバッテリＢＡＴに放出され、バッテリＢＡＴが充電される。

このように、この動作方法においては、片方向性スイッチＳＡｃ、双方向性スイッチＳＢｂ，ＳＣｃおよびモータジェネレータＭＧのコイルによってチョッパ回路が構成され、このチョッパ回路により燃料電池ＦＣからの直流電圧が降圧されてバッテリＢＡＴが充電される。

なお、モータジェネレータＭＧのその他のコイルをリアクトルＬの代わりに用いる場合についても、上記と同様にして、燃料電池ＦＣからバッテリＢＡＴへの充電を実現できる。

図２７，図２８は、図２２に示したパワーフローパターンＰ６時のさらに他の動作方法を説明するための電気回路図である。

図２７を参照して、制御装置５２は、第１の動作モードにおいて、図示されないモータジェネレータＭＧの回転位置センサによってモータジェネレータＭＧの回転角θを検出し、その検出した回転角θに基づいて、モータジェネレータＭＧに対するｑ軸電流を０とする電圧パターンになるようにＰＷＭ信号を生成する。そして、制御装置５２は、その生成したＰＷＭ信号を片方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃおよび双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃへ出力する。ここで、このようなＰＷＭ信号を生成するのは、燃料電池ＦＣからモータジェネレータＭＧへのパワーフローが発生しないようにするためである。

片方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃおよび双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃの各々は、制御装置５２から受けるＰＷＭ信号に応じてオン／オフし、燃料電池ＦＣから出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ動作を行なう。これによって、燃料電池ＦＣから出力される直流電力がマトリックスコンバータＭＣによって交流電力に変換され、その変換された電力は、モータジェネレータＭＧに回転力を発生させることなく、モータジェネレータＭＧのコイルに一旦蓄積される。

図２８を参照して、制御装置５２は、第１の動作モードに続く第２の動作モードにおいて、片方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃをオフさせる。そして、制御装置５２は、モータジェネレータＭＧの各相の電圧およびバッテリＢＡＴの端子間電圧に基づいて、モータジェネレータＭＧからバッテリＢＡＴに電力を供給するためのＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃへ出力する。

そうすると、双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃの各々は、制御装置５２から受けるＰＷＭ信号に応じてオン／オフし、モータジェネレータＭＧから電源ラインＬａ〜Ｌｃに出力された交流電力を整流してバッテリＢＡＴに供給する。これによって、バッテリＢＡＴが充電される。

このように、この図２７，図２８で示される動作方法も、図２５，図２６で示した動作方法と同様に、燃料電池ＦＣからの電力をモータジェネレータＭＧのコイルに一旦蓄積し、その後バッテリＢＡＴに供給するものであるが、図２５，図２６で示した動作方法では、モータジェネレータＭＧに回転力が発生してしまうのに対し、この図２７，図２８で示される動作方法では、モータジェネレータＭＧのｑ軸電流が０となる電圧パターンが発生するようにマトリックスコンバータＭＣをＰＷＭ制御するので、モータジェネレータＭＧに回転力は発生しない。

以上のように、この実施の形態１によれば、燃料電池ＦＣの負極およびバッテリＢＡＴの正極を共通の電源ラインＬＢを用いてマトリックスコンバータＭＣと接続したので、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴを単純にマトリックスコンバータに並列に接続する場合に比べてマトリックスコンバータを構成するスイッチの数を削減できる。

また、燃料電池ＦＣの回生（充電）はないことから、電源ラインＬＡに接続されるスイッチを片方向性のスイッチで構成したので、マトリックスコンバータＭＣを構成するパワー半導体素子の数をさらに削減できる。

さらに、片方向性スイッチＳＡｄ、リアクトルＬおよびダイオードＤ１によって構成されるチョッパ回路を設けたので、回生電力の電圧レベルが高くなるモータジェネレータＭＧの高速回転時においても、チョッパ回路により回生電力をバッテリＢＡＴの電圧レベルに降圧することによって、モータジェネレータＭＧからバッテリＢＡＴへの回生制御を実行できる。したがって、任意の回転速度でモータジェネレータＭＧの回生動作を実現することができる。

［実施の形態２］
実施の形態１では、リアクトルＬが設けられたが、この実施の形態２では、マトリックスコンバータＭＣをモータジェネレータＭＧの中性点と接続することによって、実施の形態１におけるリアクトルＬをモータジェネレータＭＧのコイルで代用する構成が示される。

図２９は、この発明の実施の形態２による電力変換装置が搭載された燃料電池車における電力システムの主要部の構成を示す電気回路図である。

図２９を参照して、この電力システム１０Ａは、図１に示した実施の形態１における電力システム１０の構成において、片方向性スイッチＳＡｄ、リアクトルＬ、ダイオードＤ１、および電源ラインＬＤ，Ｌｄに代えて、双方向性スイッチＳＢｅと、ダイオードＤ２と、電源ラインＬｅとを備える。

双方向性スイッチＳＢｅは、ダイオードＤ２と電源ラインＬＢとの間に接続される。ダイオードＤ２は、アノードおよびカソードがそれぞれ双方向性スイッチＳＢｅおよび電源ラインＬＡに接続される。そして、電源ラインＬｅは、双方向性スイッチＳＢｅとダイオードＤ２との接続点をモータジェネレータＭＧの中性点と接続する。

双方向性スイッチＳＢｅは、制御装置５２からの制御信号に応じてオン／オフ動作を行なう。ここで、この実施の形態２による電力システム１０Ａにおいても、実施の形態１による電力システム１０と同様に、上述した６つのパワーフローパターンＰ１〜Ｐ６が存在する。そして、上述した実施の形態１においてリアクトルＬが用いられるパワーフローパターンＰ３、およびパワーフローパターンＰ４におけるモータジェネレータＭＧの高速回転時以外の動作パターンにおいては、双方向性スイッチＳＢｅは、常時オフされる。

したがって、実施の形態１においてリアクトルＬが用いられないときの動作パターンに対応するこの電力システム１０Ａの動作は、実施の形態１における電力システム１０の動作と同じである。そこで、以下では、実施の形態１においてリアクトルＬが用いられる動作パターンに対応する電力システム１０Ａの動作について説明を行なう。

図３０，図３１は、この実施の形態２による電力システム１０ＡのパワーフローパターンＰ３時における電力の流れを示す電気回路図である。この電力システム１０Ａにおいても、実施の形態１におけるパワーフローパターンＰ３の場合と同様に、第１および第２の動作パターンが交互に切替えられて実行される。そして、第１の動作モードは、図１０に示した動作と基本的に同じであり、第２の動作モードが図１１に示した動作と異なる。そこで、この図３０，図３１では、第２の動作モードのみが示される。

図３０を参照して、制御装置５２は、第２の動作モード時、たとえば、片方向性スイッチＳＡａおよび双方向性スイッチＳＢｅをオンさせ、片方向性スイッチＳＡａをオンしたことに対応して双方向性スイッチＳＢａ，ＳＣｂをオンさせる。そうすると、燃料電池ＦＣの正極から片方向性スイッチＳＡａ、電源ラインＬａ、双方向性スイッチＳＢａ、バッテリＢＡＴ、双方向性スイッチＳＣｂ、電源ラインＬｂ、モータジェネレータのコイルおよび中性点、電源ラインＬｅ、ならびに双方向性スイッチＳＢｅを介して燃料電池ＦＣの負極へ戻る閉回路が構成され、モータジェネレータＭＧのコイルにエネルギーが蓄えられる。

そして、図３１を参照して、制御装置５２によって片方向性スイッチＳＡａおよび双方向性スイッチＳＢａがオフされると（双方向性スイッチＳＣｂ，ＳＢｅはオンのままである。）、図の矢印で示される閉回路が構成され、モータジェネレータＭＧのコイルに蓄えられていたエネルギーが双方向性スイッチＳＢｅを経由してバッテリＢＡＴに供給される。

すなわち、この実施の形態２では、片方向性スイッチＳＡａ、モータジェネレータＭＧのコイル、および双方向性スイッチＳＣｂによってチョッパ回路が構成され、燃料電池ＦＣからの出力電圧が所定のバッテリ電圧に降圧されてバッテリＢＡＴが充電される。

図３２〜図３４は、この実施の形態２による電力システム１０ＡのパワーフローパターンＰ４時においてモータジェネレータＭＧが高速回転時の電力の流れを示す電気回路図である。

図３２を参照して、モータジェネレータＭＧの高速回転時、制御装置５２は、第１の動作モードにおいて、モータジェネレータＭＧからコンデンサＣ１，Ｃ２へ電力を出力するためのＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を双方向性スイッチＳＣａ〜ＳＣｃへ出力する。

そうすると、双方向性スイッチＳＣａ〜ＳＣｃの各々は、制御装置５２からのＰＷＭ信号に応じてオン／オフし、モータジェネレータＭＧから電源ラインＬａ〜Ｌｃに出力された電力がコンデンサＣ１，Ｃ２に充電される。なお、電源ラインＬａ〜ＬｃからコンデンサＣ１への電力供給は、片方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃにおけるダイオードを介して行なわれる。

図３３を参照して、上述した第１の動作モードに続く第２の動作モードにおいて、制御装置５２は、双方向性スイッチＳＢｅをオンさせる。そして、制御装置５２は、たとえば、片方向性スイッチＳＡａをオンさせ、片方向性スイッチＳＡａをオンしたことに対応して双方向性スイッチＳＢａ，ＳＣｂをオンさせる。

そうすると、コンデンサＣ１から片方向性スイッチＳＡａ、電源ラインＬａ、双方向性スイッチＳＢａ、バッテリＢＡＴ、双方向性スイッチＳＣｂ、電源ラインＬｂ、モータジェネレータのコイルおよび中性点、電源ラインＬｅ、ならびに双方向性スイッチＳＢｅを介してコンデンサＣ１へ戻る閉回路が構成され、第１の動作モードにおいて電荷が蓄えられたコンデンサＣ１からモータジェネレータＭＧのコイルに電流が流れる。

そして、図３４を参照して、制御装置５２によって片方向性スイッチＳＡａおよび双方向性スイッチＳＢａがオフされると（双方向性スイッチＳＣｂ，ＳＢｅはオンのままである。）、モータジェネレータＭＧのコイルは、蓄えられたエネルギーを中性点に接続された電源ラインＬｅに放出し、図の矢印に示される閉回路が構成されることによってバッテリＢＡＴが充電される。

このように、第１の動作モードにおいて、モータジェネレータＭＧからの高電圧の回生電力がコンデンサＣ１，Ｃ２に一旦蓄積され、第２の動作モードにおいて、片方向性スイッチＳＡａ、モータジェネレータＭＧのコイル、および双方向性スイッチＳＣｂから構成されるチョッパ回路によりコンデンサＣ１からの直流電圧が降圧されることによって、高速回転時においてもモータジェネレータＭＧの回生動作が実現される。

なお、パワーフローパターンＰ４時において、モータジェネレータＭＧが低速回転時の電力システム１０Ａの動作は、実施の形態１における電力システム１０の動作と同じである。

また、上記においては、チョッパ回路を構成するコイルとして、電源ラインＬｂに接続されるモータジェネレータＭＧのコイルを用いたが、モータジェネレータＭＧのその他のコイルを用いてもよい。その場合には、上記と同様の考え方によって、適宜、第１および第２のスイッチ群５４，５６の対応するスイッチを制御装置５２によってＰＷＭ制御すればよい。

また、上記においては、チョッパ回路を構成する際にモータジェネレータＭＧの１相分のコイルを用いるものとしたが、第１のスイッチ群５４における片方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃを同時にオンさせ、その後、片方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃをオフさせるとともに双方向性スイッチＳＣａ〜ＳＣｃを同時にオンさせることによって、モータジェネレータＭＧのゼロ相リアクタンスを用いるようにしてもよい（片方向性スイッチＳＢｅは常時オンである。）。この場合には、モータジェネレータＭＧに不要なトルクが発生することはない。

以上のように、この実施の形態２によれば、マトリックスコンバータＭＣをモータジェネレータＭＧの中性点と接続し、モータジェネレータＭＧのコイルを用いてチョッパ回路を構成したので、チョッパ回路を構成するためのリアクトルを別途設ける必要がなく、装置の体格増大が抑えられる。そして、この実施の形態２によっても、実施の形態１と同様に、回生電力の電圧レベルが高くなるモータジェネレータＭＧの高速回転時においてモータジェネレータＭＧからバッテリＢＡＴへの回生制御を実行できる。したがって、任意の回転速度でモータジェネレータＭＧの回生動作を実現することができる。

［実施の形態３］
図３５は、この発明の実施の形態３による電力変換装置が搭載された燃料電池車における電力システムの主要部の構成を示す電気回路図である。

図３５を参照して、この電力システム１０Ｂは、図１に示した実施の形態１における電力システム１０の構成において、片方向性スイッチＳＡｄ、リアクトルＬ、ダイオードＤ１、および電源ラインＬＤ，Ｌｄを備えない構成となっている。

この電力システム１０Ｂは、実施の形態１，２における電力システム１０，１０Ａのようにチョッパ回路を構成することができないので、パワーフローパターンＰ４においてモータジェネレータＭＧの高速回転時に回生動作を行なうことはできないが、チョッパ回路を構成するためのリアクトルＬや双方向性スイッチＳＢｅなどを備えていないので、実施の形態１，２の場合と比べて電力変換装置を最も小型化できる。

なお、この電力システム１０Ｂの動作は、実施の形態１においてチョッパ回路を用いる動作以外の各動作と同じであるので、その説明は繰返さない。

以上のように、この実施の形態３によれば、任意の回転速度でモータジェネレータＭＧの回生動作を実現することはできないが、実施の形態１，２に比べて装置をさらに小型化できる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態１による電力変換装置が搭載された燃料電池車における電力システムの主要部の構成を示す電気回路図である。 図１に示す双方向性スイッチの構成を示す回路図である。 図１に示す双方向性スイッチの他の構成を示す回路図である。 図１に示す双方向性スイッチのさらに他の構成を示す回路図である。 燃料電池が力行でモータジェネレータが力行動作時の電力の流れを示すブロック図である。 図５に示すパワーフローパターンＰ１時の電力の流れを示す電気回路図である。 燃料電池およびバッテリが力行でモータジェネレータが力行動作時の電力の流れを示すブロック図である。 図７に示すパワーフローパターンＰ２時の電力の流れを示す電気回路図である。 燃料電池が力行でモータジェネレータが力行動作およびバッテリが回生時の電力の流れを示すブロック図である。 図９に示すパワーフローパターンＰ３時の電力の流れを示す第１の電気回路図である。 図９に示すパワーフローパターンＰ３時の電力の流れを示す第２の電気回路図である。 図９に示すパワーフローパターンＰ３時の他の動作方法を説明するための第１の電気回路図である。 図９に示すパワーフローパターンＰ３時の他の動作方法を説明するための第２の電気回路図である。 図９に示すパワーフローパターンＰ３時のさらに他の動作方法を説明するための電気回路図である。 モータジェネレータが回生動作でバッテリが回生時の電力の流れを示すブロック図である。 図１５に示すパワーフローパターンＰ４時においてモータジェネレータが低速回転時の電力の流れを示す電気回路図である。 図１５に示すパワーフローパターンＰ４時においてモータジェネレータが高速回転時の電力の流れを示す第１の電気回路図である。 図１５に示すパワーフローパターンＰ４時においてモータジェネレータが高速回転時の電力の流れを示す第２の電気回路図である。 図１５に示すパワーフローパターンＰ４時においてモータジェネレータが高速回転時の電力の流れを示す第３の電気回路図である。 バッテリが力行でモータジェネレータが力行動作時の電力の流れを示すブロック図である。 図２０に示すパワーフローパターンＰ５時の電力の流れを示す電気回路図である。 燃料電池が力行でバッテリが回生時の電力の流れを示すブロック図である。 図２２に示すパワーフローパターンＰ６時の電力の流れを示す第１の電気回路図である。 図２２に示すパワーフローパターンＰ６時の電力の流れを示す第２の電気回路図である。 図２２に示すパワーフローパターンＰ６時の他の動作方法を説明するための第１の電気回路図である。 図２２に示すパワーフローパターンＰ６時の他の動作方法を説明するための第２の電気回路図である。 図２２に示すパワーフローパターンＰ６時のさらに他の動作方法を説明するための第１の電気回路図である。 図２２に示すパワーフローパターンＰ６時のさらに他の動作方法を説明するための第２の電気回路図である。 この発明の実施の形態２による電力変換装置が搭載された燃料電池車における電力システムの主要部の構成を示す電気回路図である。 この実施の形態２による電力システムのパワーフローパターンＰ３時における電力の流れを示す第１の電気回路図である。 この実施の形態２による電力システムのパワーフローパターンＰ３時における電力の流れを示す第２の電気回路図である。 この実施の形態２による電力システムのパワーフローパターンＰ４時においてモータジェネレータが高速回転時の電力の流れを示す第１の電気回路図である。 この実施の形態２による電力システムのパワーフローパターンＰ４時においてモータジェネレータが高速回転時の電力の流れを示す第２の電気回路図である。 この実施の形態２による電力システムのパワーフローパターンＰ４時においてモータジェネレータが高速回転時の電力の流れを示す第３の電気回路図である。 この発明の実施の形態３による電力変換装置が搭載された燃料電池車における電力システムの主要部の構成を示す電気回路図である。

符号の説明

１０，１０Ａ，１０Ｂ 電力システム、５２ 制御装置、５４ 第１のスイッチ群、５６ 第２のスイッチ群、６２，６６，８２，８６，９２，９４ パワートランジスタ、６４，６８，８４，８８，Ｄ１，Ｄ２ ダイオード、７０，７２ 端子、ＭＣ マトリックスコンバータ、ＦＣ 燃料電池、ＢＡＴ バッテリ、ＭＧ モータジェネレータ、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、Ｌ リアクトル、ＬＡ〜ＬＤ，Ｌａ〜Ｌｅ 電源ライン、ＳＡａ〜ＳＡｄ 片方向性スイッチ、ＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃ，ＳＢｅ 双方向性スイッチ。

Claims (9)

1. 燃料電池および二次電池、ならびに電気負荷に接続され、前記燃料電池と前記二次電池と前記電気負荷との間で相互に電力変換を行なうマトリックスコンバータと、
   前記マトリックスコンバータの動作を制御する制御装置とを備え、
   前記燃料電池および前記二次電池は、前記マトリックスコンバータに並列に接続され、
   前記燃料電池の負極端子および前記二次電池の正極端子は、共通の第１の電源ラインを介して前記マトリックスコンバータと接続される、電力変換装置。
2. 前記マトリックスコンバータは、
   前記燃料電池の正極端子が接続される第２の電源ラインに接続される複数の片方向性スイッチと、
   前記第１の電源ライン、および前記二次電池の負極端子が接続される第３の電源ラインにそれぞれ接続される複数の双方向性スイッチとを含む、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記燃料電池に並列に前記第１および第２の電源ライン間に設けられる第１のコンデンサと、
   前記二次電池に並列に前記第１および第３の電源ライン間に設けられる第２のコンデンサと、
   前記第１から第３の電源ラインに接続されるチョッパ回路とをさらに備え、
   前記制御装置は、前記燃料電池からの電力または前記第１のコンデンサに蓄えられた電力が降圧されて前記二次電池に供給されるように前記チョッパ回路をさらに制御する、請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記電気負荷は、交流回転機であり、
   前記交流回転機の回生動作時における前記交流回転機の最大起電圧が前記二次電池の端子間電圧以下のとき、
   前記制御装置は、前記交流回転機からの回生電力が前記二次電池に直接供給されるように前記マトリックスコンバータを制御し、
   前記交流回転機の最大起電圧が前記二次電池の端子間電圧よりも高いとき、
   前記制御装置は、前記第１および第２のコンデンサに前記回生電力が一時的に蓄えられるように前記マトリックスコンバータを制御し、その後、前記第１のコンデンサに蓄えられた電力を降圧して前記二次電池に供給するように前記チョッパ回路を制御する、請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記チョッパ回路は、
   前記第２の電源ラインに一端が接続されるスイッチと、
   前記スイッチの他端と前記第１の電源ラインとの間に設けられるコイルと、
   前記スイッチおよび前記コイルの接続点と前記第３の電源ラインとの間に設けられ、前記接続点および前記第３の電源ラインにそれぞれカソードおよびアノードが接続される還流ダイオードとを含む、請求項３または請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記燃料電池に並列に前記第１および第２の電源ライン間に設けられる第１のコンデンサと、
   前記二次電池に並列に前記第１および第３の電源ライン間に設けられる第２のコンデンサと、
   前記電気負荷に接続される第４の電源ラインと、
   前記第１および第４の電源ライン間に設けられるスイッチとをさらに備え、
   前記電気負荷は、交流回転機であり、
   前記第４の電源ラインは、前記交流回転機の中性点に接続され、
   前記制御装置は、前記交流回転機のコイル、前記第４の電源ライン、前記スイッチおよび前記マトリックスコンバータを用いて構成されるチョッパ回路によって、前記燃料電池からの電力または前記第１のコンデンサに蓄えられた電力を降圧して前記二次電池に供給するように前記スイッチおよび前記マトリックスコンバータを制御する、請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
7. 前記交流回転機の回生動作時における前記交流回転機の最大起電圧が前記二次電池の端子間電圧以下のとき、
   前記制御装置は、前記交流回転機からの回生電力が前記二次電池に直接供給されるように前記マトリックスコンバータを制御し、
   前記交流回転機の最大起電圧が前記二次電池の端子間電圧よりも高いとき、
   前記制御装置は、前記第１および第２のコンデンサに前記回生電力が一時的に蓄えられるように前記マトリックスコンバータを制御し、その後、前記スイッチをオンさせるとともに、前記第１のコンデンサに蓄えられた電力を前記チョッパ回路により降圧して前記二次電池に供給するように前記マトリックスコンバータを制御する、請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記チョッパ回路は、
   チョッパ動作を行なう少なくとも１つの片方向性スイッチと、
   前記交流回転機のコイルと、
   前記第４の電源ラインと、
   前記スイッチと、
   前記二次電池の負極から、前記交流回転機のコイルおよび中性点、前記第４の電源ライン、前記スイッチならびに前記第１の電源ラインを介して前記二次電池の正極に電流を還流させるための、前記第３の電源ラインに接続された少なくとも１つの双方向性スイッチとによって構成される、請求項６または請求項７に記載の電力変換装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電力変換装置を備えた車両。

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