JP5471128B2 - 電力変換装置 - 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として適用可能な電力変換装置に関する。

例えばハイブリッド電気自動車に代表される電力変換装置としては、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力変換器と、この電力変換器に対して、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、前記電力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力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。

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１０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。この弱め磁束制御を実施すると、無効電力分の増加に伴い、図１０に示すように電動機に流れる電動機電流Ｉｍの値も増加する。

すなわち、弱め磁束制御を行うことなく、インバータを使用して電動機の更なる高速運転を実施しようとする場合には、インバータ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、変換器容量と電動機の最高回転数とはトレードオフの関係があり、弱め磁束制御を行うことなく電動機をより高速運転可能なシステムにしようとすると、変換器容量を高めるためのコストが嵩むという未解決の課題がある。

また、昇圧コンバータを使用してバッテリ電圧を昇圧して第２の直流電源を構成する蓄電用キャパシタを充電する場合に、蓄電用のキャパシタへの充電容量は下式で表すことができる。
蓄電用キャパシタ充電容量＝充電電流×充電時間
すなわち、充電電流（昇圧コンバータの変換器容量）と充電時間とは反比例的な関係があり、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り、この場合、昇圧コンバータの変換器容量が大きくなり、変換器容量を高めるためのコストが嵩むという未解決の課題を有する。

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、電動機を高速回転駆動する場合及び直流電源を急速充電する場合の少なくとも一方を低コストで実現することができる電力変換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、本発明の一の態様に係る電力変換装置は、電力供給部と、該電力供給部から電力が入力される電力入力部と、該電力入力部に入力された電力を直流電力に変換する直流電力変換部とを有する第１の直流電源と、該第１の直流電源と並列に接続された蓄電部を有する第２の直流電源と、前記第１の直流電源及び前記第２の直流電源の直流電力を平滑化する平滑回路部と、該平滑回路部に接続されて直流電力を多相交流電力に変換して多相交流電動機に供給する電力変換部と、前記第１の直流電源の電力入力部及び前記電力変換部の多相交流出力点間に設けた第１の開閉装置を介挿した第１の短絡部と、前記電力変換部の多相交流出力点及び前記多相交流電動機間に設けた第２の開閉装置を介挿した第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、両者の同時閉路状態を防止して開閉制御する開閉制御部とを備え、前記第１の開閉装置を開放状態とし、前記第２の開閉装置を閉成状態として前記多相交流電動機を駆動し、前記第１の開閉装置を閉成状態とし、前記第２の開閉装置を開放状態として前記第２の直流電源を急速充電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力変換装置は、前記第１の直流電源は、前記電力供給部が多相交流発電機で構成され、前記直流電力変換部が多相ＡＣ−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力変換装置は、前記多相交流発電機は内燃機関によって駆動され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力変換装置は、前記第１の直流電源は、前記電力供給部がバッテリで構成され、前記直流電力変換部が昇圧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力変換装置は、前記第１の直流電源の電力供給部及び電力入力部間に第２の開閉装置を備えた第２の短絡回路が設けら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力変換装置は、前記第１の直流電源の直流電力変換部は、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。

また、本発明の他の形態に係る電力変換装置は、前記電力変換部は、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。
また、本発明の他の形態に係る電力変換装置は、前記電力変換部が、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。

本発明によれば、第１の直流電源の直流電力変換部と電力変換部との双方を利用して、電動機の駆動及び第２の直流電源の充電を行うので、低コストで、電動機の高速運転及び第２の直流電源の高速充電を行う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力変換装置のブロック図である。 図１の制御装置の具体的構成を示すブロック図である。 図１の開閉装置に適用可能な双方向半導体スイッチを示す図である。 本発明の第２の実施形態を示す電力変換装置のブロック図である。 図４の制御装置の具体的構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態を示す電力変換装置のブロック図である。 図６の制御装置の具体的構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態を示す電力変換装置のブロック図である。 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の実施形態の電力変換装置を示すブロック図であり、図中、１は電動機駆動装置に適用する電力変換装置である。この電力変換装置１は、発電によって直流電力を出力する第１の直流電源２を有する。この第１の直流電源２は、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直流電圧変換部としての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に第２の開閉装置ＳＷ２を介挿した第２の短絡路Ｌ２ｉを介して１３相交流発電機３の３相交流電力が供給されている。ここで、第２の開閉装置ＳＷ２は、各短絡路Ｌ２１〜Ｌ２３に介挿されたスイッチ部ｓｗ２１〜ｓｗ２３で構成され、各スイッチ部ｓｗ２１〜ｓｗ２のそれぞれは、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３（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３（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、電力変換装置１は、第１の直流電源２の正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に第１の直流電源２と並列に接続された例えば数ボルトのバッテリユニットを多数直列に接続して構成される数百ボルトの第２の直流電源としてのバッテリで構成される第２の直流電源５を有する。
さらに、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間には、第１の直流電源２及び第２の直流電源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電力変換部としてのインバータ回路を構成するＤＣ−ＡＣ変換回路１０が接続されている。この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。また、各交流出力点Ｐｕ、Ｐｖ及びＰｗと前述した第１の直流電源２のＤＣ−ＤＣ変換回路４の入力点Ｐｒ、Ｐｓ及びＰｔ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は前述した第２の開閉装置ＳＷ２と同様の構成を有する。

そして、第１の直流電源２のＡＣ−ＤＣ変換回路４及びＤＣ−ＡＣ変換回路１０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オンオフ制御される。

ここで、制御装置１４の具体的構成は、図２に示すように、ＡＣ−ＤＣ変換回路４を駆動制御するＡＣ−ＤＣ制御部１５と、ＤＣ−ＡＣ変換回路１０を駆動制御するＤＣ−ＡＣ制御部１６と、第１の開閉装置ＳＷ１及び第２の開閉装置ＳＷ２をオンオフ制御する開閉器制御部１７とを備えている。
ＡＣ−ＤＣ制御部１５は、３相交流発電機３の速度検出値Ｎｇ及び速度指令（又は周波数指令）Ｎｍ^*が入力されて、これら速度検出値Ｎｇ及び速度指令（又は周波数指令）Ｎｍ^*に基づいてＡＣ−ＤＣ変換回路４の各スイッチング素子のゲートに供給するＰＷＭ信号を生成して出力する。

ＤＣ−ＡＣ制御部１６は、３相交流電動機１２の速度指令（又は周波数指令）Ｎｍ^*が入力されて、この速度指令（又は周波数指令）Ｎｍ^*に基づいてＤＣ−ＡＣ変換回路１０の各スイッチング素子のゲートに供給するＰＷＭ信号を生成して出力する。
開閉器制御部１７は、３相交流電動機１２の速度指令（又は周波数指令）Ｎｍ^*が入力されるとともに、所定回転数Ｎ₀に対応する回転数設定値Ｎｘが入力されて、速度指令（又は周波数指令）Ｎｍ^*に応じた電動機回転数が回転数設定値Ｎｘ未満であるときに、第１の開閉装置ＳＷ１の各スイッチ部ｓｗ１１〜ｓｗ１３を開放状態とするオフ状態のスイッチ信号Ｓ１と、第２の開閉装置ＳＷ２の各スイッチ部ｓｗ２１〜ｓｗ２２を閉成状態とするオン状態のスイッチ信号Ｓ２とを出力し、速度指令（又は周波数指令）Ｎｍ^*に応じた電動機回転数が回転数設定値Ｎｘ以上であるときに、第１の開閉装置ＳＷ１の各スイッチ部ｓｗ１１〜ｓｗ１３を閉成状態とするオン状態のスイッチ信号Ｓ１を出力し、第２の開閉装置ＳＷ２の各スイッチ部ｓｗ２１〜ｓｗ２２を開放状態とするオフ状態のスイッチ信号Ｓ２を出力する。

また、ＡＣ−ＤＣ制御部１５の出力側には、選択スイッチ部１８が設けられている。この選択スイッチ部１８は、常閉接点ｔｃ及び常開接点ｔｏとこれら常閉接点ｔｃ及び常開接点ｔｏの一方に選択的に接触する可動接点ｔｍとを有し、可動接点ｔｍが開閉器制御部１７のスイッチ信号Ｓ１がオフ状態であるときに、常閉接点ｔｃ側に接触し、スイッチ信号Ｓ１がオン状態であるときに、常開接点ｔｏ側に接触するように構成されている。

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が回転駆動されている状態で、３相交流電動機１２を設定回転数Ｎｘ未満で運転する場合には、図示しない電動機速度制御装置から電動機回転数が設定回転数Ｎｘ未満となる速度指令（又は周波数指令）Ｎｍ^*が制御装置１４に入力される。
このため、開閉器制御部１７では、第１の開閉装置ＳＷ１に対するスイッチ信号Ｓ１をオフ状態とし、第２の開閉装置ＳＷ２に対するスイッチ信号をオン状態とする。したがって、第１の開閉装置ＳＷ１の各スイッチ部ｓｗ１１〜ｓｗ１３は開放状態となり、第２の開閉装置ＳＷ２の各スイッチ部ｓｗ２１〜ｓｗ２３は閉成状態となる。これと同時に、選択スイッチ部１８の可動接点ｔｍが常閉接点ｔｃ側に接触して、ＡＣ−ＤＣ制御部１５から出力されるＰＷＭ信号がＡＣ−ＤＣ変換回路４に供給される。

このとき、ＡＣ−ＤＣ制御部１５では、３相交流発電機３の速度検出値Ｎｇ及び速度指令（又は周波数指令）Ｎｍ^*が入力されることにより、速度検出値Ｎｇ及び速度指令（又は周波数指令）Ｎｍ^*に応じてＰＷＭ信号が生成され、生成されたＰＷＭ信号がＡＣ−ＤＣ変換回路４に出力される。このため、ＡＣ−ＤＣ変換回路４で、第２の開閉装置ＳＷ２を介して入力される３相交流発電機３の３相交流出力を直流電力に変換する。このＡＣ−ＤＣ変換回路４から出力される直流電力は、平滑回路８の平滑用コンデンサＣａで平滑化されてＤＣ−ＡＣ変換回路１０に供給されるとともに、第２の直流電源５の充電量が所定値よりも低いときには第２の直流電源５を充電する。

そして、ＤＣ−ＡＣ制御部１６では、速度指令（又は周波数指令）Ｎｍ^*に基づいてＤＣ−ＡＣ変換回路１０の各スイッチング素子のゲートに対するＰＷＭ信号を生成し、生成したＰＷＭ信号をＤＣ−ＡＣ変換回路１０の各スイッチング素子のゲートに供給する。このため、ＤＣ−ＡＣ変換回路１０で直流電力が３相交流電力に変換されて交流出力点Ｐｕ〜Ｐｗから３相交流電動機１２の巻線Ｌｕ〜Ｌｗに出力されて、３相交流電動機１２が回転駆動される。

この３相交流電動機１２の回転駆動状態で、制御装置１４に、設定回転数Ｎｘ以上で３相交流電動機１２を運転する速度指令（又は周波数指令）Ｎｍ^*が入力されると、これに応じて開閉器制御部１７で、スイッチ信号Ｓ１がオン状態に反転され、且つスイッチ信号Ｓ２がオフ状態に反転される。このため、第１の開閉装置ＳＷ１が閉成状態となって、ＡＣ−ＤＣ変換回路４の入力点Ｐｒ〜Ｐｔが短絡路Ｌ１１〜Ｌ１３を介してＤＣ−ＡＣ変換回路１０の交流出力点Ｐｕ〜Ｐｗに接続される。逆に、第２の開閉装置ＳＷ２は開放状態となって、３相交流発電機３で発電された３相交流電力のＡＣ−ＤＣ変換回路４への入力が遮断される。

また、制御装置１４では、開閉器制御部１７のスイッチ信号Ｓ１がオン状態となることにより、選択スイッチ部１８の可動接点ｔｍが常開接点ｔｏ側に切換えられて、ＤＣ−ＡＣ制御部１６で生成されたＰＷＭ信号がＤＣ−ＡＣ変換回路１０の他にＡＣ−ＤＣ変換回路４にも供給される。
したがって、第２の直流電源５の直流電力が通常のようにＤＣ−ＡＣ変換回路１０で３相交流電力に変換されて、交流出力点Ｐｕ〜Ｐｗに出力されるとともに、ＡＣ−ＤＣ変換回路４でも３相交流電力に変換されて、入力点Ｐｒ〜Ｐｔに出力され、これら入力点Ｐｒ〜Ｐｔに出力される３相交流電力が第１の開閉装置ＳＷ１及び短絡路Ｌ１１〜Ｌ１３を介してＤＣ−ＡＣ変換回路１０の交流出力点Ｐｕ〜Ｐｗに供給される。

このため、交流出力点Ｐｕ〜Ｐｗから設定回転数Ｎｘ未満で３相交流電動機１２を運転する場合の２倍の３相交流電流を得ることができ、これが３相交流電動機１２の巻線Ｌｕ〜Ｌｗに供給されることにより、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、上記第１の実施形態によると、３相交流電動機１２を設定回転数Ｎｘ未満で通常回転駆動する場合には、ＤＣ−ＡＣ変換回路１０のみで直流電力を交流電力に変換し、３相交流電動機１２を設定回転数Ｎｘ以上で高速回転駆動する場合には、ＡＣ−ＤＣ変換回路４をＤＣ−ＡＣ変換回路として使用して２つのＡＣ−ＤＣ変換回路で直流電力を交流電力に変換することにより、３相交流電動機１２に供給する最大電流値を増大させて、弱め磁界制御を行うことなく、３相交流電動機１２を高速回転駆動することができる。

しかも、３相交流電動機１２の高速回転駆動が、第１の開閉装置ＳＷ１を有する短絡路Ｌ１１〜Ｌ１３及び第２の開閉装置ＳＷ２を有する短絡路Ｌ２１〜Ｌ２３を設けるとともに、制御装置１４に開閉器制御部１７及び選択スイッチ部１８を設けるだけの極めて簡易な構成で行うことができ、ＤＣ−ＡＣ変換回路１０の各スイッチング素子の変換器容量を増加させる場合に比較して安価な製造コストで実現することができる。

なお、上記第１の実施形態においては、電力変換装置１で出力可能な最大電流値を増加させ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、電力変換装置１で出力可能な最大電流値を従来装置並みとする場合には、ＤＣ−ＡＣ変換回路１０の変換器容量を低減させることができる。
次に、本発明の第２の実施形態を図４及び図５について説明する。

この第２の実施形態では、第２の直流電源５の高速充電を行うようにしたものである。
すなわち、第２の実施形態では、前述した第１の実施形態における図１の構成において、第２の開閉装置ＳＷ２及び第２の短絡路Ｌ２１〜Ｌ２３が３相交流電動機３及びＡＣ−ＤＣ変換回路４の入力点Ｐｒ〜Ｐｔに代えて、ＤＣ−ＡＣ変換回路１０の交流出力点Ｐｕ〜Ｐｗと３相交流電動機１２の巻線Ｌｕ〜Ｌｗとの間に介挿されていることを除いては前述した第１の実施形態と同様の構成を有し、図１との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。また、制御装置１４では、図５に示すように、選択スイッチ部１８がＡＣ−ＤＣ制御部１５の出力側に配置する場合に代えてＤＣ−ＡＣ制御部１６の出力側に配置し、常閉接点ｔｃがＤＣ−ＡＣ制御部１６に、常開接点ｔｏがＡＣ−ＤＣ制御部１５に接続され、さらに可動接点ｔｍがＤＣ−ＡＣ変換回路１０の各スイッチング素子のゲートに接続されている。さらに、開閉器制御部１７に充電電流指令値Ｂｃが入力され、この充電電流指令値Ｂｃが所定設定値Ｂｃｓ未満であるときには、スイッチ信号Ｓ１をオフ状態とし、スイッチ信号Ｓ２をオン状態とするが、充電電流指令値Ｂｃが所定設定値Ｂｃｓ以上となったときには、スイッチ信号Ｓ１をオン状態、スイッチ信号Ｓ２をオフ状態とする。

この第２の実施形態によると、３相交流電動機１２を回転駆動する通常状態であるときには、開閉器制御部１７でスイッチ信号Ｓ１がオフ状態で、且つスイッチ信号Ｓ２がオン状態となるので、第１の開閉装置ＳＷ１が開放状態となり、第２の開閉装置ＳＷ２が閉成状態となる。このため、第１の直流電源２及び第２の直流電源５の直流電力の少なくとも一方の直流電力をＤＣ−ＡＣ変換回路１０で３相交流電力に変換して３相交流電動機１２を回転駆動する。

また、第１の直流電源２から出力される直流電圧が第２の直流電源５の充電電圧よりも高い状態で、第２の直流電源５の充電電圧が低下して、開閉器制御部１７に充電電流指令値Ｂｃが入力され、この充電電流指令値Ｂｃが所定設定値Ｂｃｓ未満であるときにも、開閉器制御部１７のスイッチ信号Ｓ１がオフ状態で、且つスイッチ信号Ｓ２がオン状態を維持し、３相交流発電機３で発電された３相交流電力をＡＣ−ＤＣ変換回路４で直流電力に変換して、第２の直流電源５を充電する。

さらに、３相交流電動機１２が発電機となる回生状態となった場合には、ＤＣ−ＡＣ変換回路１０がＤＣ−ＡＣ制御部１６によってＡＣ−ＤＣ変換回路として制御されて、３相交流電動機１２で発電された３相交流電力がＤＣ−ＡＣ変換回路１０で直流電力に変換されて第２の直流電源５を充電する。
しかしながら、第２の直流電源５の充電電圧が大幅に低下した場合には、開閉器制御部１７に供給される充電電流指令値Ｂｃが所定設定値Ｂｃｓ以上となるので、開閉器制御部１７で、スイッチ信号Ｓ１がオン状態に反転され、且つスイッチ信号Ｓ２がオフ状態に反転される。

このため、第１の開閉装置ＳＷ１が閉成状態となり、第２の開閉装置ＳＷ２が開放状態となり、ＡＣ−ＤＣ変換回路４の入力点Ｐｒ〜ＰｔとＤＣ−ＡＣ変換回路１０の交流出力点Ｐｕ〜Ｐｗとの間が第１の開閉装置ＳＷ１及び短絡路Ｌ１１〜Ｌ１３を介して接続され、逆にＤＣ−ＡＣ変換回路１０の出力点Ｐｕ〜Ｐｗと３相交流電動機１２との間の短絡路Ｌ２１〜Ｌ２３が遮断される。

これと同時に、選択スイッチ部１８の可動接点ｔｍが常開接点ｔｏ側に切換えられて、ＤＣ−ＡＣ変換回路１０の各スイッチング素子のゲートにＡＣ−ＤＣ制御部１５から出力されるＰＷＭ信号が供給される。
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るとともに、ＤＣ−ＡＣ変換回路１０でも直流電力に変換されることになり、第２の直流電源５を充電する充電電流値が増大して、第２の直流電源５を短時間で高速充電することができる。

そして、第２の直流電源５の高速充電が完了すると、開閉器制御部１７に入力される充電電流指令値Ｂｃが所定設定値Ｂｃｓ未満となることにより、スイッチ信号Ｓ１がオフ状態に反転し、且つスイッチ信号Ｓ２がオン状態に反転して、３相交流電動機１２の回転駆動状態に復帰する。
このように、第２の実施形態によれば、第２の直流電源５の充電電圧が大幅に減少して、高速充電が必要となった場合に、ＤＣ−ＡＣ変換回路１０の交流出力点Ｐｕ〜Ｐｗと３相交流電動機１２の巻線Ｌｕ〜Ｌｗとの間の短絡路Ｌ２１〜Ｌ２３を遮断すると同時に、ＤＣ−ＡＣ変換回路１０をＡＣ−ＤＣ変換回路に切換えることにより、２つのＡＣ−ＤＣ変換回路で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することにより、第２の直流電源５に対する充電電流値を増大させて、高速充電することができる。

次に、本発明の第３の実施形態を図６及び図７について説明する。
この第３の実施形態では、３相交流電動機１２の高速回転駆動及び第２の直流電源５の高速充電の双方を可能としたものである。
すなわち、第３の実施形態では、図６に示すように、前述した第１の実施形態及び第２の実施形態の構成を加え合わせた構成を有し、前述した第１の実施形態における図１の構成において、ＤＣ−ＡＣ変換回路１０の交流出力点Ｐｕ〜Ｐｗと３相交流電動機１２の巻線Ｌｕ〜Ｌｗとの間が第２の開閉装置ＳＷ２′を介挿した短絡路Ｌ２１′〜Ｌ２３′で接続されていることを除いては、図１と同様の構成を有し、図１との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。

また、制御装置１４が、図７に示すように、前述した図２の構成において、ＤＣ−ＡＣ制御部１６にも選択スイッチ部１８′が設けられ、この選択スイッチ部１８′の常閉接点ｔｃがＤＣ−ＡＣ制御部１６に、常開接点ｔｏがＡＣ−ＤＣ制御部１５に、可動接点ｔｍがＤＣ−ＡＣ変換回路１０の各スイッチング素子のゲートに接続されている。さらに、開閉器制御部１７に回転数設定値Ｎｘ及び充電電流指令値Ｂｃが入力され、速度指令（又は周波数指令）Ｎｍ^*に基づく電動機回転数が回転数設定値Ｎｘ未満で且つ充電電流指令値Ｂｃが所定設定値Ｂｃｓ未満である通常運転モードであるときに、スイッチ信号Ｓ１をオフ状態、スイッチ信号Ｓ２及びＳ２′をオン状態に制御する。また、速度指令（又は周波数指令）Ｎｍ^*に基づく電動機回転数が回転数設定値Ｎｘ以上で且つ充電電流指令値Ｂｃが所定設定値Ｂｃｓ未満である電動機高速運転モードであるときに、スイッチ信号Ｓ１をオン状態、スイッチ信号Ｓ２をオフ状態、スイッチ信号Ｓ２′をオン状態に制御する。さらに、速度指令（又は周波数指令）Ｎｍ^*に基づく電動機回転数が回転数設定値Ｎｘ未満で且つ充電電流指令値Ｂｃが所定設定値Ｂｃｓ以上である高速充電モードであるときに、スイッチ信号Ｓ１をオン状態、スイッチ信号Ｓ２をオン状態、スイッチ信号Ｓ２′をオフ状態に制御する。

さらに、選択スイッチ部１８は、スイッチ信号Ｓ２がオン状態であるときに、可動接点ｔｍが常閉接点ｔｃに接触し、スイッチ信号Ｓ２がオフ状態であるときに、可動接点ｔｍが常開接点ｔｏに接触する。同様に、選択スイッチ部１８′は、スイッチ信号Ｓ２′がオン状態であるときに、可動接点ｔｍが常閉接点ｔｃに接触し、スイッチ信号Ｓ２′がオフ状態であるときに、可動接点ｔｍが常開接点ｔｏに接触する。

この第３の実施形態によると、速度指令（又は周波数指令）Ｎｍ^*に基づく電動機回転数が回転数設定値Ｎｘ未満となり、且つ充電電流指令値Ｂｃも所定設定値Ｂｃｓ未満となる３相交流電動機１２を通常回転駆動する通常運転モードでは、開閉器制御部１７で、スイッチ信号Ｓ１がオフ状態に、スイッチ信号Ｓ２及びＳ２′がオン状態に制御される。
このため、第１の開閉装置ＳＷ１が開放状態となり、第２の開閉装置ＳＷ２及びＳＷ２′が閉成状態となるので、前述した第１の実施形態と同様に３相交流発電機３で発電した３相交流電力をＡＣ−ＤＣ変換回路４で直流電力に変換し、この直流電力及び第２の直流電源５の直流電力の少なくとも一方をＤＣ−ＡＣ変換回路１０で３相交流電力に変換し、変換した３相交流電力を３相交流電動機１２に供給することにより、３相交流電動機１２を通常回転駆動する。

この状態から、開閉器制御部１７に入力される速度指令（又は周波数指令）Ｎｍ^*に基づく電動機回転数が回転数設定値Ｎｘ以上となる３相交流電動機１２の高速回転駆動する電動機高速運転モードとなると、開閉器制御部１７でスイッチ信号Ｓ１をオン状態、スイッチ信号Ｓ２をオフ状態、スイッチ信号Ｓ２′をオン状態に制御する。
このため、第１の開閉装置ＳＷ１が閉成状態となり、第２の開閉装置ＳＷ２が開放状態となり、第２の開閉装置ＳＷ２′が閉成状態となり、且つＡＣ−ＤＣ変換回路４がＤＣ−ＡＣ変換回路として動作される。したがって、第２の直流電源５の直流電力がＤＣ−ＡＣ変換回路１０及びＡＣ−ＤＣ変換回路４でそれぞれ交流電力に変換され、両者がＤＣ−ＡＣ変換回路１０の交流出力点Ｐｕ〜Ｐｗで足し合わされて３相交流電動機１２に供給される。したがって、３相交流電動機１２が高速回転駆動される。

さらに、第２の直流電源５の充電電圧が大幅に低下して、開閉器制御部１７に入力される速度指令（又は周波数指令）Ｎｍ^*に基づく電動機回転数が回転数設定値Ｎｘ未満で且つ充電電流指令値Ｂｃが所定設定値Ｂｃｓ以上となった高速充電モードでは、開閉器制御部１７でスイッチ信号Ｓ１がオン状態、スイッチ信号Ｓ２がオン状態、スイッチ信号Ｓ２′がオフ状態に制御する。

このため、第１の開閉装置ＳＷ１及び第２の開閉装置ＳＷ２が導通状態となり、第２の開閉装置ＳＷ２′が遮断状態となり、且つＤＣ−ＡＣ変換回路１０がＡＣ−ＤＣ変換回路として動作される。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及びＤＣ−ＡＣ変換回路１０で直流電力に変換されて第２の直流電源５を高速充電する。

以上の通常運転モード、電動機高速運転モード及び直流電源高速充電モードにおける開閉装置ＳＷ１、ＳＷ２及びＳＷ２′の通電状態を纏めると下記表１に示すようになる。

このように、上記第３の実施形態によれば、電力変換装置１で、通常運転モード、電動機高速運転モード及び直流電源高速充電モードの３つのモードを選択的に実行することができる。しかも、これらの３つのモードを得るための構成が、第１の開閉装置ＳＷ１を介挿した短絡部Ｌ１１〜Ｌ１３、第２の開閉装置ＳＷ２を介挿した短絡部Ｌ２１〜Ｌ２３及び第２の開閉装置ＳＷ２′を介挿した短絡部Ｌ２１′〜Ｌ２３′を設けるだけの簡易な構成で済むので、低コストで３つのモードを選択可能な電力変換装置１を構成することができる。

次に、本発明の第４の実施形態を図８について説明する。
この第４の実施形態は、上述した第３の実施形態における第１の直流電源２を、バッテリ３１の正極側に昇圧用リアクトル３２を直列に接続し、昇圧用リアクトル３２の他端を第２の開閉装置ＳＷ２のスイッチ部ｓｗ２１を介挿した短絡部Ｌ２１を介して前述したＡＣ−ＤＣ変換回路４と同一構成を有するＤＣ−ＤＣ変換回路３３の入力点Ｐｒ〜Ｐｔに接続し、バッテリ３１の負極側を第２の開閉装置ＳＷ２のスイッチ部ｓｗ２２を介挿した短絡部Ｌ２２を介してＤＣ−ＤＣ変換回路３３の負極側に接続したことを除いては図６と同様の構成を有し、図６との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。

この第４の実施形態によると、第１の直流電源２の構成がバッテリ３１と、昇圧用リアクトル３２及びＤＣ−ＤＣ変換回路３３とで構成される昇圧回路とで構成されているので、通常運転モードでは、第１の開閉装置ＳＷ１を遮断状態とし、第２の開閉装置ＳＷ２及びＳＷ２′を導通状態に制御することにより、バッテリ３１の充電電圧を昇圧した昇圧直流電力をＤＣ−ＡＣ変換回路１０に供給することにより、３相交流電動機１２を通常回転駆動することができる。

また、電動機高速運転モードでは、第１の開閉装置ＳＷ１及び第２の開閉装置ＳＷ２′を導通状態とし、第２の開閉装置ＳＷ２を遮断状態とすることにより、第２の直流電源５の直流電力をＤＣ−ＤＣ変換回路３３及びＤＣ−ＡＣ変換回路１０でそれぞれ３相交流電力に変換することにより、３相交流電動機１２を高速回転駆動することができる。
さらに、直流電源高速充電モードでは、第１の開閉装置ＳＷ１及び第２の開閉装置ＳＷ２を導通状態とし、第２の開閉装置ＳＷ２′を遮断状態とするとともに、昇圧用リアクトル３２とＤＣ−ＡＣ変換回路１０とで昇圧回路を構成することにより、２つの昇圧回路で第２の直流電源５を充電することができ、第２の直流電源５を高速充電することができる。

この第４の実施形態でも、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。
なお、第４の実施形態においては、第１の直流電源２を、バッテリ３１を含ん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、バッテリ３１に代えて、燃料電池や太陽電池のような任意の直流電源を適用することができる。

また、上記第１〜第４の実施形態においては、第２の直流電源５としてバッテリ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、バッテリに代えて充電用キャパシタを適用することもできる。
また、上記第１〜第３の実施形態においては、３相交流電動機１２を電力変換装置１で回転駆動する電動機駆動装置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４１を介して例えばデファレンシャルギヤ４２に連結し、このデファレンシャルギヤ４２に連結された駆動輪４３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４の実施形態においても、３相交流電動機１２を電力変換装置１で回転駆動する電動機駆動装置について説明したが、これに限定されるものではなく、図示しないが図９と同様に３相交流電動機１２を必要に応じて減速機構４１を介して例えばデファレンシャルギヤに連結し、このデファレンシャルギヤに連結された駆動輪を回転駆動する構成として、ハイブリッド電気自動車又は電気自動車に適用することもできる。

さらにまた、上記第１〜第３の実施形態においては、３相交流発電機３及び３相交流電動機１２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、４相以上の交流発電機及び交流電動機を適用することもできる。この場合には、ＡＣ−ＤＣ変換回路４及びＤＣ−ＡＣ変換回路１０のスイッチングアーム数を相数に応じて増加すればよい。

なおさらに、上記第１〜第４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、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）、静電誘導型トランジスタ（ＳＩＴ）等のスイッチング素子を適用することができる。

１…電力変換装置、２…第１の直流電源、３…３相交流発電機、４…ＡＣ−ＤＣ変換回路、５…第２の直流電源、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，ＳＷ２′…第２の開閉装置、Ｌ１１〜Ｌ１３…第１の短絡部、Ｌ２１〜Ｌ２３、Ｌ２１′〜Ｌ２３′…第２の短絡部、ＳＡ１１〜ＳＡ１３、ＳＡ２１〜ＳＡ２３…スイッチングアーム、Ｑ１１ａ〜Ｑ１３ｂ、Ｑ２１ａ〜Ｑ２３ｂ…スイッチング素子、１４…制御装置、１５…ＡＣ−ＤＣ制御部、１６…ＤＣ−ＡＣ制御部、１７…開閉器制御部、１８、１８′…選択スイッチ部、３１…バッテリ、３２…昇圧用リアクトル、３３…ＤＣ−ＤＣ変換回路

Claims (7)

1. 電力供給部と、該電力供給部から電力が入力される電力入力部と、該電力入力部に入力された電力を直流電力に変換する直流電力変換部とを有する第１の直流電源と、
   該第１の直流電源と並列に接続された蓄電部を有する第２の直流電源と、
   前記第１の直流電源及び前記第２の直流電源の直流電力を平滑化する平滑回路部と、
   該平滑回路部に接続されて直流電力を多相交流電力に変換して多相交流電動機に供給する電力変換部と、
   前記第１の直流電源の電力入力部及び前記電力変換部の多相交流出力点間に設けた第１の開閉装置を介挿した第１の短絡部と、
   前記電力変換部の多相交流出力点及び前記多相交流電動機間に設けた第２の開閉装置を介挿した第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、両者の同時閉路状態を防止して開閉制御する開閉制御部とを備え、
   前記第１の開閉装置を開放状態とし、前記第２の開閉装置を閉成状態として前記多相交流電動機を駆動し、前記第１の開閉装置を閉成状態とし、前記第２の開閉装置を開放状態として前記第２の直流電源を急速充電する
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第１の直流電源は、前記電力供給部が多相交流発電機で構成され、前記直流電力変換部が多相ＡＣ−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に記載の電力変換装置。
3. 前記多相交流発電機は内燃機関によって駆動されることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記第１の直流電源は、前記電力供給部がバッテリで構成され、前記直流電力変換部が昇圧回路で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記第１の直流電源の電力供給部及び電力入力部間にも第２の開閉装置を備えた第２の短絡回路が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記第１の直流電源の直流電力変換部は、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５の何れか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記電力変換部は、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の何れか１項に記載の電力変換装置。

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