JP5454218B2 - 電動機駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくともバッテリから供給される電力によって電動機を駆動するハイブリッド電気自動車、電気自動車などの電動機駆動装置に関する。

例えばハイブリッド電気自動車に代表される電動機駆動装置としては、例えばバッテリで構成される第１の直流電源と、直流電圧を受けて車両駆動用のモータを駆動制御するための電力変換を行うインバータで構成される駆動回路と、前記第１の直流電源と前記駆動回路との間に接続され、両者の間で直流電圧変換を行うための例えば昇圧コンバータで構成される電圧変換器と、この電圧変換器に対して、開閉手段を介して並列に接続された蓄電用のキャパシタＣ０で構成される第２の直流電源と、前記電圧変換器が前記駆動回路と前記第２の直流電源との接続点に出力する出力電圧の目標値を設定するとともに、設定した目標値と前記出力電圧とが一致するように前記電圧変換器の動作を制御する制御手段とを備えた車両電源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。ここで、制御手段は、モータの要求出力に応じた電圧を前記目標値に設定する第１の目標値設定手段と、前記モータの要求出力に応じた電圧よりも高く、前記第２の直流電源を充電可能な電圧を前記目標値に設定する第２の目標値設定手段と、車両の運転者の要求に応じて、前記第１および第２の目標値設定手段の一方を選択する選択手段とを含んでいる。

電動機制御装置の具体的構成は、図１０に示すように、エンジンによって駆動されるモータジェネレータとなる交流発電機１０１で発電された３相交流電力をインバータで構成されるＡＣ−ＤＣ変換回路１０２で直流電力に変換し、変換した直流電力を平滑用コンデンサ１０３で平滑化してインバータで構成されるＤＣ−ＡＣ変換回路１０４に供給し、このＤＣ−ＡＣ変換回路１０４から出力される３相交流電力をモータジェネレータとなる交流電動機１０５に供給するように構成されている。また、平滑用コンデンサ１０３にはＡＣ−ＤＣ変換回路１０２と並列にバッテリ１０６が接続されている。

この図１０の構成によると、交流発電機１０１で発電しているときには、発電された交流電力で交流電動機１０５を回転駆動すると共に、バッテリ１０６を充電し、回生制動状態となって交流電動機１０５が発電状態となったときにＤＣ−ＡＣ変換回路１０４をコンバータとして機能させてバッテリ１０６を充電する。
他の電動機制御装置として、図１１に示すように、図１０におけるバッテリ１０６を省略し、これに代えて、ＤＣ−ＡＣ変換回路１０４の直流入力電圧の最高値より端子電圧の低いバッテリ１０７と、このバッテリ１０７にリアクトルＬを介して接続されたバッテリ電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣ変換回路１０８とを設けた構成が知られている。

この図１１の構成によると、バッテリ１０７のバッテリ電圧をＤＣ−ＤＣ変換回路１０８で任意の直流電圧に昇圧して平滑用コンデンサ１０３に供給するので、バッテリ１０７として低電圧のものが適用可能となり、また平滑用コンデンサ１０３の直流電圧をバッテリ１０７の電圧以上の任意の値に制御することも可能となるため、交流電動機１０５の制御性向上や運転動作範囲の拡大が可能となる。

特開２００７−８９２６２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、通常、電動機トルクＴ、駆動回路を構成するインバータの出力電圧Ｖ、および電動機電流Ｉｍと、電動機回転数Ｎｍとの関係は、図１２に示すように表されている。すなわち、電動機回転数Ｎｍが０から所定回転数Ｎ₀に達するまでの間では、Ｖ／Ｆ制御によりトルク及び電動機電流が略一定となり、電動機回転数Ｎｍの増加に応じてインバータの出力電圧Ｖも増加する。しかし、電動機回転数Ｎｍが所定回転数Ｎ₀以上となると、インバータが出力できる電圧が最大電圧Ｖｍａｘに制限されるため、さらなる高速化には電動機の弱め磁束制御を実施する必要がある。特に、高効率化のために永久磁石形同期電動機を適用した場合、無効電力分の増加に伴い、図１２に示すように、交流電動機に流れる電動機電流Ｉｍの電流値も増加する。

すなわち、図１０または図１１の電動機駆動装置で交流電動機をさらなる高速運転を実施しようとする場合には、ＤＣ−ＡＣ変換回路１０４の変換器容量をその分増加させる必要がある。換言すれば、ＤＣ−ＡＣ変換回路１０４の変換器容量と交流電動機１０５の最高回転数とはトレードオフの関係があり、電気車をより高速運転可能なシステムにしようとする場合、変換器容量増加分だけコストアップになるという未解決の課題がある。

一方、交流発電機１０１からバッテリ１０６または１０７に充電を実施しようとする場合、バッテリ１０６または１０７への充電容量は概ね下式で表すことができる。
バッテリ充電容量＝充電電流×充電時間
すなわち、充電電流（ＡＣ−ＤＣ変換器容量にほぼ比例する）と充電時間とは反比例的な関係があるため、充電時間を短縮させようとする場合は、充電電流を増加させる必要がある。この場合、ＡＣ−ＤＣ変換回路１０２及びＤＣ−ＤＣ変換回路１０８の容量は大きなものが必要となり、コストアップになるという未解決の課題がある。

すなわち、交流電動機１０５の高速運転とバッテリ１０６または１０７の高速充電との双方を実現しようとすると、ＡＣ−ＤＣ変換回路１０２、ＤＣ−ＡＣ変換回路１０４、ＤＣ−ＤＣ変換回路１０８を共に相応の容量のものが必要となり、システム全体のトータル容量は大きなものが必要となる。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、少ないコストアップで各変換回路容量の増大化を図り、交流電動機の高速運転と直流電源への急速充電の両立を図ることができる電動機駆動装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一の形態に係る電動機駆動装置は、入力された電力を直流電力に変換して出力する第１の電力変換回路と、該第１の電力変換回路と並列に接続された蓄電部を有する直流電源と、前記第１の電力変換回路及び前記直流電源の直流電力を平滑化する平滑回路と、該平滑回路に接続されて直流電力を多相交流電力に変換して出力する第２の電力変換回路と、前記第１の電力変換回路と前記第２の電力変換回路との間に接続され、直流電力と交流電力を相互に変換して出力する第３の電力変換回路と、前記第１の電力変換回路の電力入力部及び前記第３の電力変換回路の多相交流出力点間に介挿した第１の開閉装置を有する第１の短絡部と、前記第２の電力変換回路及び前記第３の電力変換部回路の多相交流出力点間に介挿した第２の開閉装置を有する第２の短絡部と、前記第１の開閉装置及び第２の開閉装置を開閉制御する開閉制御部とを備え、前記開閉制御部は、前記第１の開閉装置を開くとともに、前記第２の開閉装置を閉じて、前記第３の電力変換回路をＤＣ−ＡＣ変換回路として動作させるか、前記第１の開閉装置を閉じるとともに、前記第２の開閉装置を開いて、前記第３の電力変換回路をＡＣ−ＤＣ変換回路として動作させるか、を選択制御するように構成されていることを特徴としている。

また、本発明の他の形態に係る電動機駆動装置は、入力された電力を直流電力に変換して出力する第１の電力変換回路と、該第１の電力変換回路と並列に接続された蓄電部を有する直流電源と、前記第１の電力変換回路及び前記直流電源の直流電力を平滑化する平滑回路と、該平滑回路に接続されて直流電力を多相交流電力に変換して出力する第２の電力変換回路と、前記第１の電力変換回路と前記第２の電力変換回路との間に接続され、直流電力と交流電力を相互に変換して出力する第３の電力変換回路と、前記第１の電力変換回路の電力入力部及び前記第３の電力変換回路の多相交流出力点間に介挿した第１の開閉装置を有する第１の短絡部と、前記第２の電力変換回路及び前記第３の電力変換部回路の多相交流出力点間に介挿した第２の開閉装置を有する第２の短絡部と、前記第１の開閉装置及び第２の開閉装置を開閉制御する開閉制御部とを備え、前記第３の電力変換回路は、直流電力と交流電力を相互に変換して出力する複数の電力変換部が並列接続され、各電力変換部の交流出力点間に相同士を短絡又は開放するとともに、前記第１及び第２の開閉装置の少なくとも一方に連動して動作する開閉装置を介挿した構成を有することを特徴としている。

また、本発明の他の形態に係る電動機駆動装置は、前記開閉制御部は、前記第１の開閉装置を開くとともに、前記第２の開閉装置を閉じて、前記第３の電力変換回路をＤＣ−ＡＣ変換回路として動作させるか、前記第１の開閉装置を閉じるとともに、前記第２の開閉装置を開いて、前記第３の電力変換回路をＡＣ−ＤＣ変換回路として動作させるか、を選択制御するように構成されていることを特徴としている。

また、本発明の他の形態に係る電動機駆動装置は、前記第１の電力変換回路が、交流電力が入力されるＡＣ−ＤＣ変換部で構成されていることを特徴としている。
また、本発明の他の形態に係る電動機駆動装置は、前記ＡＣ−ＤＣ変換部に入力される交流電力が、交流発電機または商用電源より供給されるものであることを特徴としている。
また、本発明の他の形態に係る電動機駆動装置は、前記第１の電力変換回路が、バッテリの電力を昇圧するＤＣ−ＤＣ変換回路で構成されていることを特徴としている。

また、本発明の他の形態に係る電動機駆動装置は、前記第１の電力変換回路が、スイッチング素子とこれに逆並列に接続されたダイオードとを有するスイッチングアームを備えていることを特徴としている。
また、本発明の他の形態に係る電動機駆動装置は、前記直流電源が蓄電部のみで構成されていることを特徴としている。
また、本発明の他の形態に係る電動機駆動装置は、前記直流電源が蓄電部と該蓄電部の電圧を昇圧する昇圧部とを備えていることを特徴としている。
さらに、本発明の他の形態に係る電動機駆動装置は、前記第２の電力変換回路及び第３の電力変換回路は、スイッチング素子とこれに逆並列に接続されたダイオードとを有するスイッチングアームを備えていることを特徴としている。

本発明によれば、電動機の高速駆動及び直流電源の高速充電を、第１の電力変換部と第２及び第３の電力変換回路とを組み合わせて行うことができるので、低コストで、電動機の高速運転及び直流電源の高速充電を両立させることができるという効果が得られる。

本発明の第１の実施形態を示す電動機駆動装置のブロック図である。 第１の開閉装置の具体的構成を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態における電動機駆動装置を示す概略ブロック図である。 本発明の第２の実施形態における電動機駆動装置の変形例を示す概略ブロック図である。 本発明の第３の実施形態における電動機駆動装置を示す概略ブロック図である。 本発明の第４の実施形態における電動機駆動装置を示す概略ブロック図である。 本発明の第５の実施形態における電動機駆動装置を示す概略ブロック図である。 本発明の第６の実施形態における電動機駆動装置を示すブロック図である。 本発明をハイブリッド電気自動車に適用した場合の実施形態を示すブロック図である。 従来の電動機駆動装置の一例を示すブロック図である。 従来の電動機駆動装置の他の例を示すブロック図である。 従来例の電動機駆動特性を示す特性線図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の第１の実施形態の電動機駆動装置を示すブロック図であり、図中、１はハイブリッド電気自動車等に適用する電動機駆動装置である。この電動機駆動装置１は、例えばエンジン等の内燃機関で構成される回転駆動源の出力軸に連結された電力供給部としての３相交流発電機３と、この３相交流発電機３から出力される３相交流電力を直流電力に変換する第１の電力変換回路としてのＡＣ−ＤＣ変換回路４とを備えている。

ＡＣ−ＤＣ変換回路４は、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に並列に接続された３つのスイッチングアームＳＡ１１〜ＳＡ１３を有する。各スイッチングアームＳＡ１１〜ＳＡ１３のそれぞれは、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に直列に接続された例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）で構成されるスイッチング素子Ｑｉａ及びＱｉｂ（ｉは１１〜１３）と、各スイッチング素子Ｑｉａ及びＱｉｂに逆並列に接続されたダイオードＤｉａ及びＤｉｂとを有する。そして、各スイッチング素子Ｑ１１ａ及びＱ１１ｂ、Ｑ１２ａ及びＱ１２ｂ、Ｑ１３ａ及びＱ１３ｂの電力入力部となる接続点Ｐｒ、Ｐｓ、Ｐｔに３相交流発電機３の３相交流電力が供給されている。

また、電動機駆動装置１は、ＡＣ−ＤＣ変換回路４の正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間にＡＣ−ＤＣ変換回路４と並列に接続された直流電源５を有する。直流電源５は、充放電が可能であり、例えばバッテリ５ａで構成される。バッテリ５ａは、数ボルトのバッテリユニットを多数直列に接続し、数百ボルトの直流電力を出力できるように構成してもよい。
さらに、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間には、ＡＣ−ＤＣ変換回路４及び直流電源５と並列に平滑回路８が接続されている。この平滑回路８は、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に直列に接続された平滑用コンデンサＣａを有する。

さらにまた、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間には平滑回路８の直流電力を交流電力に変換する第２の電力変換回路としてのインバータ回路を構成する第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０が接続されている。この第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０は、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に並列に接続された３つのスイッチングアームＳＡ２１〜ＳＡ２３を有する。これらスイッチングアームＳＡ２１〜２３のそれぞれは、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に直列に接続された例えばＩＧＢＴで構成されるスイッチング素子Ｑｊａ及びＱｊｂ（ｊは２１〜２３）と、各スイッチング素子Ｑｊａ及びＱｊｂに逆並列に接続されたダイオードＤｊａ及びＤｊｂとを有する。そして、各スイッチング素子Ｑｊａ及びＱｊｂの接続点が交流出力点Ｐｕ，Ｐｖ及びＰｗとされて負荷としての３相交流電動機１２に接続されている。

なおさらに、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間には、平滑回路８及び第２の電力変換回路としての第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０間に第３の電力変換回路としての第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０が接続されている。この第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０は、前述した第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０と同様の構成を有し、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に並列に接続された３つのスイッチングアームＳＡ３１〜ＳＡ３３を有する。これらスイッチングアームＳＡ３１〜３３のそれぞれは、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に直列に接続された例えばＩＧＢＴで構成されるスイッチング素子Ｑｋａ及びＱｋｂ（ｋは３１〜３３）と、各スイッチング素子Ｑｋａ及びＱｋｂに逆並列に接続されたダイオードＤｋａ及びＤｋｂとを有する。そして、各スイッチング素子Ｑｋａ及びＱｋｂの接続点が交流出力点Ｐｕ２，Ｐｖ２及びＰｗ２とされている。

そして、ＡＣ−ＤＣ変換回路４の交流入力点Ｐｒ〜Ｐｔと第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０の交流出力点Ｐｕ２〜Ｐｗ２とが個別に第１の開閉装置ＳＷ１を介挿した短絡部Ｌ１１、Ｌ１２及びＬ１３を介して接続されている。ここで、第１の開閉装置ＳＷ１は、各短絡路Ｌ１１〜Ｌ１３に介挿された３線分を同時に開路又は閉路できるスイッチ部ｓｗ１１〜ｓｗ１３で構成され、各スイッチ部ｓｗ１１〜ｓｗ１２のそれぞれは、コンタクタ、リレー等の機械式スイッチや双方向半導体スイッチを適用することができる。双方向半導体スイッチとしては、図２（ａ）に示すように、逆耐圧を有するＩＧＢＴａ及びＩＧＢＴｂを逆並列に接続した構成を適用するか、図２（ｂ）に示すように、逆耐圧を有さないＩＧＢＴｃ及びＩＧＢＴｄを直列に接続し、各ＩＧＢＴｃ及びＩＧＢＴｄに逆並列にダイオードＤｃ及びＤｄを接続した構成を適用することが好ましい。

また、第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０の交流出力点Ｐｕ２〜Ｐｗ２と第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０の交流出力点Ｐｕ〜Ｐｗとが個別に第２の開閉装置ＳＷ２を介挿した短絡部Ｌ２１、Ｌ２２及びＬ２３を介して接続されている。
ここで、第２の開閉装置ＳＷ２も、各短絡路Ｌ２１〜Ｌ２３に介挿されたスイッチ部ｓｗ２１〜ｓｗ２３で構成されており、各スイッチ部ｓｗ２１〜ｓｗ２のそれぞれは、前述した第１の開閉装置ＳＷ１と同様の構成を有する。

そして、ＡＣ−ＤＣ変換回路４及び第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０及び第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０の各スイッチング素子が、図１に示すように、制御装置１４によって例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）制御される。また、第１の開閉装置ＳＷ１及び第２の開閉装置ＳＷ２も制御装置１４によって、第１の開閉装置ＳＷ１及び第２の開閉装置ＳＷ２の一方が開放されているときに他方が閉成されるように相補的に開閉制御される。
ここで、制御装置１４の動作モードは下記表１に示すように、３相交流電動機１２を高速運転するモード１と交流発電機３から直流電源５のバッテリ５ａに高速充電を行うモード２とが設定されている。

すなわち、モード１では、第１の開閉装置ＳＷ１をオフ（ｏｆｆ）状態とし、第２の開閉装置ＳＷ２をオン（ｏｎ）状態とし、ＡＣ−ＤＣ変換回路４を整流器動作（ＲＥＣ）に制御し、第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０をインバータ動作（ＩＮＶ）に制御し、第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０もインバータ動作（ＩＮＶ）に制御する。
モード２では、第１の開閉装置ＳＷ１をオン（ｏｎ）状態とし、第２の開閉装置ＳＷ２をオフ（ｏｆｆ）状態とし、ＡＣ−ＤＣ変換回路４を整流器動作（ＲＥＣ）に制御し、第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０を整流器動作（ＲＥＣ）に制御し、さらに第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０をインバータ動作（ＩＮＶ）に制御する。

次に、上記第１の実施形態の動作を説明する。
今、３相交流電動機１２を低速回転駆動する場合には、制御装置１４で、第１の開閉装置ＳＷ１及び第２の開閉装置ＳＷ２が共に開放状態に設定される。さらに、ＡＣ−ＤＣ変換回路４が整流器動作（ＲＥＣ）に設定されると共に、第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０がインバータ動作（ＩＮＶ）に設定され、第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０が非動作状態に設定される。このとき、直流電源５の出力電圧が３相交流電動機１２を駆動するために必要とする電圧に達している場合には、エンジン等の内燃機関による３相交流発電機３の回転駆動が停止され、直流電源５の出力電力が平滑回路８で平滑化された後、第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０で交流電力に変換されて交流電力出力点Ｐｕ〜Ｐｗから出力される交流電力が３相交流電動機１２に供給されて、３相交流電動機１２が回転駆動される。

一方、直流電源５の出力電圧が不足する場合や大きな電動機トルクが必要な場合には、エンジン等の内燃機関が始動されて３相交流発電機３が回転駆動されて、この多相交流発電機３から３相交流電力が出力される。この三相交流電力はＡＣ−ＤＣ変換回路４によって直流電力に変換されてから平滑回路８で平滑化されて第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０で交流電力に変換され、交流電力出力点Ｐｕ〜Ｐｗから出力される交流電力が３相交流電動機１２に供給されて、３相交流電動機１２が回転駆動される。このとき、バッテリ５の充電も同時に行われる。

この３相交流電動機１２の低速回転駆動状態から、高速回転駆動状態に移行する場合には、３相交流発電機３を発電状態に維持しながら制御装置１４でモード１が設定される。このため、第１の開閉装置ＳＷ１はオフ（ｏｆｆ）状態を継続し、第２の開閉装置ＳＷ２はオン（ｏｎ）状態に切換えられると共に、ＡＣ−ＤＣ変換回路４は整流器動作（ＲＥＣ）を継続し、第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０及び第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０がインバータ動作（ＩＮＶ）に切換えられる。

したがって、３相交流発電機３で発電された３相交流電力がＡＣ−ＤＣ変換回路４で直流電力に変換されて直流電源５からの直流電力が供給された平滑回路８で平滑化され、この平滑化された直流電力が第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０及び第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０で同相の交流電力に変換される。
そして、第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０の交流出力点Ｐｕ〜Ｐｗ及び第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０の交流出力点Ｐｕ２〜Ｐｗ２から出力される３相交流電力が重畳されて３相交流電動機１２に供給される。第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０と第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０を、同定格の変換回路で構成した場合には、３相交流電動機１２に低速回転駆動時の２倍の電流を供給することができ、３相交流電動機１２を高速回転駆動することができる。

すなわち、前述した図１２に示すように、３相交流電動機１２の回転数Ｎｍを所定回転数Ｎ₀より低い状態（低速回転）から、所定回転数Ｎ₀より高い状態（高速回転）とするために、ＤＣ−ＡＣ変換回路１０が出力する電圧が最大電圧Ｖｍａｘに達したら、上述のとおりＤＣ−ＡＣ変換回路３０も駆動する。３相交流電動機１２には、第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０と第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０が出力する３相交流電力が重畳されて流れるため、電動機電流Ｉｍの電流値が増加し、３相交流電動機１２を高速回転駆動することができる。

なお、ＤＣ−ＡＣ変換回路３０は、３相交流電動機１２が低速回転駆動されているときでも投入可能であるが、３相交流電動機１２へ供給する電流をＤＣ−ＡＣ変換回路１０のみで賄える場合は、電流をＤＣ−ＡＣ変換回路１０の単独駆動とした方が、半導体スイッチング素子のスイッチング損失を低減できる。
この状態で、回生制動状態となって、３相交流電動機１２が発電機として動作する状態となると、制御装置１４では、第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０を整流器動作（ＲＥＣ）させることにより、３相交流電動機１２から入力される交流電力を直流電力に変換して直流電源５のバッテリ５ａを充電する。このとき、第１の開閉装置ＳＷ１をオン（ｏｎ）状態に制御すると共に、ＡＣ−ＤＣ変換回路４も整流器動作（ＲＥＣ）させることにより、２倍の充電電流を得ることができる。このため、直流電源５のバッテリ５ａを急速充電することができる。

また、バッテリ５の出力電圧が３相交流電動機１２の駆動に必要な電圧を下回って、３相交流発電機３で発電した３相交流電力で直流電源５のバッテリ５ａを急速充電する場合には、制御装置１４で、モード２を設定することにより、第１の開閉装置ＳＷ１をオン状態とし、第２の開閉装置ＳＷ２をオフ状態とし、ＡＣ−ＤＣ変換回路４を整流器動作（ＲＥＣ）に制御し、第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０を整流器動作（ＲＥＣ）に制御することにより、バッテリ５にＡＣ−ＤＣ変換回路４及び第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０の並列回路分の充電電流を供給することが可能となる。このため、バッテリ５を急速充電することができる。

このように、上述した第１の実施形態によると、第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０をインバータ動作させることにより、この第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０と第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０との並列回路で直流電力を３相交流電力に変換することができ、３相交流電動機１２に大きな駆動電流を供給可能となり、３相交流電動機１２を高速回転駆動することができる。また、３相交流発電機３の発電電力で直流電源５のバッテリ５ａを高速充電する場合には、ＡＣ−ＤＣ変換回路４と第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０との双方を整流器動作とすることにより、図１０に示す従来例のＡＣ−ＤＣ変換回路４のみの場合の２倍の充電電流を得ることができ、直流電源５のバッテリ５ａを高速充電することができる。したがって、３相交流電動機１２の高速回転駆動と直流電源５のバッテリ５ａの高速充電とを両立させることができる。しかも、これら高速回転駆動と高速充電との両立が、前述した図９に示す従来方式とトータルの変換器容量（ＡＣ−ＤＣ変換器容量＋ＤＣ−ＡＣ変換器容量）で比較すると、本発明では個々の電力変換回路の変換器容量を少ない変換器容量に設定しても実現でき、コストアップを最小限に抑えながら電動機の高速駆動とバッテリの急速充電を両立させることができる。

このように、上記第１の実施形態では、電気車はシステム上、３相交流発電機３から直流電源５のバッテリ５ａを急速充電する動作と、３相交流電動機１２を高速運転する動作とを同時に実施することはないという特性を利用して、各変換回路間に設けた開閉装置ＳＷ１及びＳＷ２を短絡又は開放することによって、第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０をＡＣ−ＤＣ変換回路として又はＤＣ−ＡＣ変換回路として動作させ、電動機の高速運転とバッテリの急速充電とを両立させることができる。
そして、第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０の変換動作によってＡＣ−ＤＣ変換回路全体及びＤＣ−ＡＣ変換回路全体の変換器容量を増減することが可能となる。その結果、システム全体の変換容量を低減することが可能となる。

次に、本発明の第２の実施形態を図３について説明する。
この第２の実施形態では、図３に示すように、前述した第１の実施形態における第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０を並列接続した２つのＤＣ−ＡＣ変換部３０ａ及び３０ｂで構成し、ＤＣ−ＡＣ変換部３０ａ及び３０ｂの交流出力点が第３の開閉装置ＳＷ３を介挿した短絡路Ｌ３で接続されていることを除いては、前述した第１の実施形態における図１と同様の構成を有する。なお、図３では、ＡＣ−ＤＣ変換回路４、第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０及び第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０は図１と同様の構成を有するが、図示を簡略化するために、１アーム分のみ表示している。そして、ＡＣ−ＤＣ変換回路４、第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０及び第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０を構成するＤＣ−ＡＣ変換部３０ａ，３０ｂと第１の開閉装置ＳＷ１、第２の開閉装置ＳＷ２及び第３の開閉装置ＳＷ３とが制御装置１４によって下記表２で表されるモードで制御される。

すなわち、直流電源５のバッテリ５ａを高速充電するモード１１では、第１の開閉装置ＳＷ１及び第３の開閉装置ＳＷ３をオン（ｏｎ）状態とし、第２の開閉装置ＳＷ２をオフ（ｏｆｆ）状態とし、且つＡＣ−ＤＣ変換回路４、第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０を構成するＤＣ−ＡＣ変換部３０ａ及び３０ｂをそれぞれ整流器動作（ＲＥＣ）に制御し、第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０をインバータ動作（ＩＮＶ）に制御する。

また、３相交流電動機１２を低中速駆動するモード１２では、第１の開閉装置ＳＷ１及び第２の開閉装置ＳＷ２をオン（ｏｎ）状態とし、第３の開閉装置ＳＷ３をオフ（ｏｆｆ）状態とし、且つＡＣ−ＤＣ変換回路４及び第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０のＤＣ−ＡＣ変換部３０ａを整流器動作（ＲＥＣ）に制御し、第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０及び第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０のＤＣ−ＡＣ変換部３０ｂをインバータ動作（ＩＮＶ）に制御する。

さらに、３相交流電動機１２を高速駆動するモード１３では、第１の開閉装置ＳＷ１をオフ（ｏｆｆ）状態とし、第２の開閉装置ＳＷ２及び第３の開閉装置ＳＷ３をオン（ｏｎ）状態とし、且つＡＣ−ＤＣ変換回路４を整流器動作（ＲＥＣ）に制御し、残りのＤＣ−ＡＣ変換回路１０、ＤＣ−ＡＣ変換部３０ａ及び３０ｂをインバータ動作（ＩＮＶ）に制御する。

この第２の実施形態によると、３相交流発電機３で発電した３相交流電力を直流電力に変換して直流電源５のバッテリ５ａを高速充電する場合には、制御装置１４で、モード１１を設定することにより、第１の開閉装置ＳＷ１及び第３の開閉装置ＳＷ３がオン状態に制御されると共に、ＡＣ−ＤＣ変換回路４、第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０のＤＣ−ＡＣ変換部３０ａ及び３０ｂが整流器動作（ＲＥＣ）に制御され、残りの第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０のみがインバータ動作（ＩＮＶ）に制御される。このため、３相交流発電機４で発電された３相交流電力が、３台の変換回路４、３０ａ及び３０ｂで直流電力に変換されるので、従来例における１台のＡＣ−ＤＣ変換回路で直流電力に変換する場合に比較して３倍の充電電流を得ることができ、これを直流電源５に供給するので、直流電源５のバッテリ５ａを急速充電することができる。

また、３相交流電動機１２を低中速駆動する場合には、制御装置１４でモード１２を設定することにより、３相交流発電機３で発電した３相交流電力を２台の変換回路４及び３０ａで直流電力に変換すると共に、変換された直流電力を２台の変換回路１０及び３０ｂで交流電力に変換して３相交流電動機１２に供給するので、３相交流電動機１２に従来例の２倍の駆動電流を供給することができ、３相交流電動機１２を中速回転駆動することができる。

さらに、３相交流電動機１２を高速駆動する場合には、制御装置１４でモード１３を設定することより、１つの変換回路４で交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力を３台の変換回路１０、３０ａ及び３０ｂで交流電力に変換して３相交流電動機１２に供給するので、３相交流電動器１２に従来例の３倍の駆動電流を供給することができ、３相交流電動機１２を高速回転駆動することができる。

このように、直流電力を３台の変換回路１０、３０ａ及び３０ｂで交流電力に変換するので、電動機に流し得る最大電流値に合わせて３つの変換回路１０、３０ａ及び３０ｂの合計の出力を決定し、変換回路１組当たりの容量を小さくすることで、全体の小型化・低コスト化を図ることができる。
このように、上記第２の実施形態によると、３相交流電動機１２に供給する駆動電流及び直流電源５のバッテリ５ａの充電電流をきめ細かく制御することができる。

なお、上記第２の実施形態においては、第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０を２台のＤＣ−ＡＣ電力変換部３０ａ及び３０ｂで構成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図４に示すように、第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０を３台のＤＣ−ＡＣ変換部３０ａ、３０ｂ及び３０ｃで構成することもでき、この場合には、５台の変換回路の組み合わせ数が増加することにより、下記表３に示すように、４つのモード２１〜２４を設定することができ、バッテリ５ａを急速充電するには、モード２１及び２２を選択し、逆に３相交流電動機１２を高速回転駆動するにはモード２３及び２４を選択することにより、バッテリ５ａの充電電流と、３相交流電動機１２の駆動電流とをよりきめ細かに制御することができる。

さらに、第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０のＤＣ−ＡＣ変換部の数を４以上に増加させることにより、バッテリ４の充電電流と３相交流電動機１２の駆動電流とをさらにきめ細かく制御することができる。
次に、本発明の第３の実施形態を図５について説明する。
この第３の実施形態においては、前述した第１の実施形態における直流電源５を直流電源５０で構成している。直流電源５０は、第１の実施形態におけるバッテリ５ａより低バッテリ電圧のバッテリ４０と、このバッテリ４０の一方の出力側に介挿したリアクトル４１と前記正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に接続されたＤＣ−ＤＣ変換回路４２とで構成されている。ここで、ＤＣ−ＤＣ変換回路４２は、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に、２つの例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）でなるスイッチング素子Ｑ４２ａ及びＱ４２ｂを直列に接続すると共に、各スイッチング素子Ｑ４２ａ及びＱ４２ｂに逆並列にダイオードＤ４２ａ及びＤ４２ｂを接続した構成を有する。そして、スイッチング素子Ｑ４２ｂと並列にバッテリ４０とリアクトル４１との直列回路が接続されている。

そして、制御装置１４によって、第１の開閉装置ＳＷ１及びＳＷ２のオンオフ制御とＡＣ−ＤＣ変換回路４、第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０、第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０及びＤＣ−ＤＣ変換回路４２を構成する各スイッチング素子がパルス幅変調制御される。
この制御装置１４で設定するモードは、下記表４に示すように、ＤＣ−ＤＣ変換回路４２を昇圧チョッパ動作（ＣＨＯＰ）させることが付加されたことを除いては、前述した第１の実施形態おける表１のモード１及び２に対応したモード３１及び３２が設定される。

この第３の実施形態によると、第１の開閉装置ＳＷ１及び第２の開閉装置ＳＷ２の開閉動作と、スイッチＡＣ−ＤＣ変換回路４、第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０及び第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０の動作制御は前述した第１の実施形態と同様であるので、前述した第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、第３の実施形態では、第２の直流電源５がバッテリ電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路構成とされているので、バッテリ４０として、前述した第１の実施形態におけるバッテリ５ａに比較して低電圧のバッテリを適用することができる。しかも、ＤＣ−ＤＣ変換回路４２のスイッチング素子Ｑ４２ａ及びＱ４２ｂのゲートに供給するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号でなるゲート駆動信号のデューティ比を変更することにより、バッテリ電圧の昇圧率を任意に変更することができるので、ＤＣ−ＡＣ変換回路を構成する第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０及び第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０に供給する直流電圧を任意に設定することができ、３相交流電動機１２に供給する電圧制御を広範囲に行うことができる。

次に、本発明の第４の実施形態を図６について説明する。
この第４の実施形態では、前述した第２の実施形態において、直流電源５を前述した第３の実施形態と同様のバッテリ４０、リアクトル４１及びＤＣ−ＤＣ変換回路４２からなる直流電源５０に置き換えたものであり、そのほかの構成は図３と同様の構成を有する。
この第４の実施形態でも、制御装置１４で、下記表５に示すモード５１〜モード５３を設定することにより、直流電源５０が昇圧チョッパ制御されることを除いては前述した第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。しかも、ＤＣ−ＤＣ変換回路４２のスイッチング素子Ｑ４２ａ及びＱ４２ｂのゲートに供給するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号でなるゲート駆動信号のデューティ比を変更することにより、バッテリ電圧の昇圧率を任意に変更することができるので、ＤＣ−ＡＣ変換回路を構成する第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０及び第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０に供給する直流電圧を任意に設定することができ、３相交流電動機１２に供給する電圧制御を広範囲に行うことができる。

次に、本発明の第５の実施形態を図７について説明する。
この第５の実施形態では、前述した第３の実施形態において、直流電源５を前述した第３の実施形態と同様のバッテリ４０、リアクトル４１及びＤＣ−ＤＣ変換回路４２からなる直流電源５０に置き換えたものであり、さらに第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０のＤＣ−ＡＣ変換部３０ａ及び３０ｂの交流出力点Ｐｖ２とリアクトル４１のバッテリ４０とは反対側との間に第４の開閉装置ＳＷ４及び第５の開閉装置ＳＷ５を介挿した短絡線Ｌ４及びＬ５を接続したことを除いては図４と同様の構成を有する。

この第５の実施形態でも、制御装置１４で、下記表６に示すモード５１〜モード５６を設定することにより、第２の直流電源５が昇圧チョッパ制御されるとともに、第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０のＤＣ−ＡＣ変換部３０ａ及び３０ｂが整流器動作（ＲＥＣ）と昇圧チョッパ動作（ＣＨＯＰ）を行うことを除いては前述した第３の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、この第５の実施形態では、直流電源５で３相交流電動機１２を回転駆動する際に、第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０のＤＣ−ＡＣ変換部３０ａ及び３０ｂも昇圧チョッパ動作させることができる。その結果、最大で３台の昇圧チョッパ回路でインバータ動作するＤＣ−ＡＣ変換回路１０に直流電力を供給することが可能となる。しかも、ＤＣ−ＤＣ変換回路４２のスイッチング素子Ｑ４２ａ及びＱ４２ｂのゲートに供給するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号でなるゲート駆動信号のデューティ比を変更することにより、バッテリ電圧の昇圧率を任意に変更することができるので、ＤＣ−ＡＣ変換回路を構成する第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０及び第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０に供給する直流電圧をバッテリ電圧以上の任意の値に設定することができ、３相交流電動機１２に供給する電圧制御をより広範囲に行うことができる。

なお、上記第１〜第５の実施形態において、交流電源として３相交流発電機３を適用した場合について説明したが、これに限らず交流電源として商用の３相又は単相の交流電源を用いることもできる。単相交流電源を適用する場合には、ＡＣ−ＤＣ変換回路４を２つのスイッチングアームＳＡ１１及びＳＡ１２で構成すればよい。
また、上記第１〜第５の実施形態においては、直流電源５としてバッテリ（５ａ，４０）を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、バッテリに代えて蓄電用キャパシタを適用することもできる。

次に、本発明の第６の実施形態を図８について説明する。
この第６の実施形態では、第１の実施形態における３相交流発電機３に代えてバッテリ５１とリアクトル５２と、ＤＣ−ＤＣ変換回路５３とで昇圧チョッパ構成を有することを除いては前述した第１の実施形態における図１と同様の構成を有する。
ここで、ＤＣ−ＤＣ変換回路５３は、前述した第１の実施形態におけるＡＣ−ＤＣ変換回路４と同様に６つのスイッチング素子で３つのスイッチングアームＳＡ１１〜ＳＡ１３を形成しており、上アームを構成するスイッチング素子Ｑ１１ａ〜Ｑ１３ａを同時にオンオフ制御する共に、下アームを構成するスイッチング素子Ｑ１１ｂ〜Ｑ１３ｂを同時にオフオン制御することにより、ＤＣ−ＤＣ変換回路として動作させる。

この第６の実施形態によると、バッテリ５１のバッテリ電圧が昇圧チョッパ回路によって昇圧されて直流電力として平滑回路８に出力されることを除いては前述した第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。この第６の実施形態では、発電機能を備えていないので、回生制動状態となって、３相交流電動機１２が発電機として動作する際に、第１のＤＣ−ＡＣ変換回路１０及び第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０を共に整流器動作（ＲＥＣ）に制御するとともに、ＤＣ−ＤＣ変換回路５３で降圧チョッパ動作させることにより、低電圧のバッテリ５１を急速充電する。そして、直流電源５のバッテリ５ａを充電するには、第１の開閉装置ＳＷ１をオン状態として、ＤＣ−ＤＣ変換回路５３と第２のＤＣ−ＡＣ変換回路３０とで２つのＤＣ−ＤＣ変換回路を構成して直流電源５のバッテリ５ａを充電する。

なお、上記第６の実施形態においては、前述した第１の実施形態における入力電源をバッテリ５１の出力電圧を昇圧するリアクトル５２及びＤＣ−ＤＣ変換回路５３を含む昇圧チョッパ構成に変更した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、第２〜第５の実施形態における３相交流発電機３及びＡＣ−ＤＣ変換回路４に代えて、バッテリの出力電圧を昇圧するリアクトル及びＤＣ−ＤＣ変換回路で構成される昇圧チョッパ構成に変更することもできる。
また、第６の実施形態においては、入力電源としてバッテリ５１を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、バッテリ５１に代えて、燃料電池や太陽電池のような任意の直流電源や蓄電用キャパシタを適用することができる。

また、上記第１〜第６の実施形態においては、３相交流電動機１２を電動機駆動装置１で回転駆動する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図９に示すように、３相交流電動機１２を、必要に応じて減速機構６１を介して例えばデファレンシャルギヤ６２に連結し、このデファレンシャルギヤ６２に連結された駆動輪６３を回転駆動する構成として、ハイブリッド電気自動車に適用することもできる。
さらに、上記第１〜第６の実施形態においては、スイッチング素子としてＩＧＢＴを適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、使用電力に応じてパワーＭＯＳＦＥＴ等の任意の電圧形スイッチング素子を適用することができる。

１…電動機駆動装置、３…３相交流発電機、４…ＡＣ−ＤＣ変換回路、５…直流電源、５ａ…バッテリ、８…平滑回路、Ｃａ…平滑用コンデンサ、１０…ＤＣ−ＡＣ変換回路、１２…３相交流電動機、ＳＷ１…第１の開閉装置、ＳＷ２…第２の開閉装置、Ｌ１１〜Ｌ１３…第１の短絡部、Ｌ２１〜Ｌ２３…第２の短絡部、Ｌ３…第３の短絡部、ＳＡ１１〜ＳＡ１３、ＳＡ２１〜ＳＡ２３、ＳＡ３１〜ＤＡ３３…スイッチングアーム、Ｑ１１ａ〜Ｑ１３ｂ、Ｑ２１ａ〜Ｑ２３ｂ、Ｑ３１ａ〜Ｑ３３ｂ…スイッチング素子、１４…制御装置、４０…バッテリ、４１…リアクトル、４２…ＤＣ−ＤＣ変換回路、５０…直流電源、５１……バッテリ、５２…リアクトル、５３…ＤＣ−ＤＣ変換回路

Claims (10)

1. 入力された電力を直流電力に変換して出力する第１の電力変換回路と、
   該第１の電力変換回路と並列に接続された蓄電部を有する直流電源と、
   前記第１の電力変換回路及び前記直流電源の直流電力を平滑化する平滑回路と、
   該平滑回路に接続されて直流電力を多相交流電力に変換して出力する第２の電力変換回路と、
   前記第１の電力変換回路と前記第２の電力変換回路との間に接続され、直流電力と交流電力を相互に変換して出力する第３の電力変換回路と、
   前記第１の電力変換回路の電力入力部及び前記第３の電力変換回路の多相交流出力点間に介挿した第１の開閉装置を有する第１の短絡部と、
   前記第２の電力変換回路及び前記第３の電力変換部回路の多相交流出力点間に介挿した第２の開閉装置を有する第２の短絡部と、
   前記第１の開閉装置及び第２の開閉装置を開閉制御する開閉制御部とを備え、
   前記開閉制御部は、前記第１の開閉装置を開くとともに、前記第２の開閉装置を閉じて、前記第３の電力変換回路をＤＣ−ＡＣ変換回路として動作させるか、前記第１の開閉装置を閉じるとともに、前記第２の開閉装置を開いて、前記第３の電力変換回路をＡＣ−ＤＣ変換回路として動作させるか、を選択制御するように構成されている
   ことを特徴とする電動機駆動装置。
2. 入力された電力を直流電力に変換して出力する第１の電力変換回路と、
   該第１の電力変換回路と並列に接続された蓄電部を有する直流電源と、
   前記第１の電力変換回路及び前記直流電源の直流電力を平滑化する平滑回路と、
   該平滑回路に接続されて直流電力を多相交流電力に変換して出力する第２の電力変換回路と、
   前記第１の電力変換回路と前記第２の電力変換回路との間に接続され、直流電力と交流電力を相互に変換して出力する第３の電力変換回路と、
   前記第１の電力変換回路の電力入力部及び前記第３の電力変換回路の多相交流出力点間に介挿した第１の開閉装置を有する第１の短絡部と、
   前記第２の電力変換回路及び前記第３の電力変換部回路の多相交流出力点間に介挿した第２の開閉装置を有する第２の短絡部と、
   前記第１の開閉装置及び第２の開閉装置を開閉制御する開閉制御部とを備え、
   前記第３の電力変換回路は、直流電力と交流電力を相互に変換して出力する複数の電力変換部が並列接続され、各電力変換部の交流出力点間に相同士を短絡又は開放するとともに、前記第１及び第２の開閉装置の少なくとも一方に連動して動作する開閉装置を介挿した構成を有することを特徴とする電動機駆動装置。
3. 前記開閉制御部は、前記第１の開閉装置を開くとともに、前記第２の開閉装置を閉じて、前記第３の電力変換回路をＤＣ−ＡＣ変換回路として動作させるか、前記第１の開閉装置を閉じるとともに、前記第２の開閉装置を開いて、前記第３の電力変換回路をＡＣ−ＤＣ変換回路として動作させるか、を選択制御するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の電動機駆動装置。
4. 前記第１の電力変換回路は、交流電力が入力されるＡＣ−ＤＣ変換部で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電動機駆動装置。
5. 前記ＡＣ−ＤＣ変換部に入力される交流電力は、交流発電機または商用電源より供給されるものであることを特徴とする請求項４に記載の電動機駆動装置。
6. 前記第１の電力変換回路は、バッテリの電力を昇圧するＤＣ−ＤＣ変換回路で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電動機駆動装置。
7. 前記第１の電力変換回路は、スイッチング素子とこれに逆並列に接続されたダイオードとを有するスイッチングアームを備えていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電動機駆動装置。
8. 前記直流電源は蓄電部のみで構成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電動機駆動装置。
9. 前記直流電源は蓄電部と該蓄電部の電圧を昇圧する昇圧部とを備えていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電動機駆動装置。
10. 前記第２の電力変換回路及び第３の電力変換回路は、スイッチング素子とこれに逆並列に接続されたダイオードとを有するスイッチングアームを備えていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電動機駆動装置。

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