JP2005318731A - 自動車用電源装置およびそれを備える自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】 エネルギ効率が向上した自動車用電源装置およびそれを備える自動車を提供する。
【解決手段】 このマトリックスコンバータ３８は、モータジェネレータＭＧ１によって発電された三相交流電力を従来の三相全波整流インバータ方式のように三相交流を一旦直流に整流することなく、モータジェネレータＭＧ１から入力された三相交流電力をモータジェネレータＭＧ２を駆動するための三相交流電力に直接変換して出力する。自動車用電源装置１４は２つのモータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２間の三相交流電力のやり取りがマトリックスコンバータ３８より直接的に行なわれるので、従来のように直流に一旦変換するよりも電力の損失を低減させることができる。
【選択図】 図２

Description

この発明は、自動車用電源装置およびそれを備える自動車に関し、特に、交流−交流変換を行なうマトリックスコンバータを用いた自動車用電源装置およびそれを備える自動車に関する。

近年ますます高まりつつある省エネ・環境問題を背景に、ハイブリッド自動車が大きく注目されている。このハイブリッド自動車は、既に商品として実用化されている。

ハイブリッド自動車は、従来の内燃機関であるエンジンに加え、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。すなわち、ハイブリッド自動車は、エンジンを駆動することにより動力源を得るとともに、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換して変換された交流電圧によりモータを回転させることによって動力源を得るものである。

特開２００２−３７４６０４号公報（特許文献１）は、このようなハイブリッド自動車の構成の例を開示している。この構成では、ハイブリッド自動車は発電用のモータジェネレータおよび駆動用のモータジェネレータを備えている。エンジンから発生された動力の一部によって発電用モータジェネレータが発電を行ない、この発電された電力が駆動用のモータジェネレータに用いられる。車輪は、エンジンと駆動用モータジェネレータとから動力を受けて回転する。

また、ハイブリッド自動車においては、搭載する発電用のモータジェネレータによって発電される電力を商用電源として利用したいというニーズが存在している。すなわち、キャンプ時など周囲に商用電源設備が存在しない場合や停電時などの商用電源として、ハイブリッド自動車を利用するというものである。

一方、逆に外部の商用電源からハイブリッド自動車に電力を供給したいというニーズも存在する。すなわち、エンジンの動力を用いて発電機により発電することもできるが、その代わりにエンジンを運転することなく、外部の商用電源を用いて直流電源であるバッテリを充電し、また車内で電気機器を利用可能にするというものである。

特開２００２−３７４６０４号公報（特許文献１）および特開２０００−２７８８０８号公報（特許文献２）には交流１００Ｖのコンセントを備える自動車が開示されている。
特開２００２−３７４６０４号公報 特開２０００−２７８８０８号公報 特表２００２−５３４０５０号公報 パトリックＷホイーラ（Patrick W. Wheeler）他４名，「マトリックスコンバータ：テクノロジーレビュー（Matrix Converters: A Technology Review）」，IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS，２００２年４月，第４９巻，第２号，ｐｐ．２７６−２８８

図９は、従来のハイブリッド自動車のエネルギ伝達を説明するための図である。

図９を参照して、従来のハイブリッド自動車は、エンジン５０２と、モータジェネレータＭＧ１と、モータジェネレータＭＧ１と接続されるインバータ５３７と、モータジェネレータＭＧ２と、モータジェネレータＭＧ２に接続されるインバータ５３６とを含む。

このハイブリッド自動車は、さらに、バッテリ５１２と、バッテリの両端の電圧を安定化させるコンデンサＣ５０１と、エンジン５０２，モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２に接続されるプラネタリギヤ５１６と、プラネタリギヤ５１６によって駆動されるタイヤ５２０とを含む。

プラネタリギヤ５１６は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２およびエンジン５０２に接続されておりこの三者の間で動力を分割する動力分割機構としての役割を果たす。

図９に示すように、エンジン５０２の回転によるエネルギは、通常の走行状態では一部が矢印Ｐ３に示すようにタイヤの駆動のために伝達されるが大半は矢印Ｐ１に示すようにモータジェネレータＭＧ１を回転させ、発電に用いられる。

モータジェネレータＭＧ１で発電された三相交流の電力はインバータ５３７によって一度直流電力に変換される。インバータ５３７から出力される直流電力は、バッテリ５１２またはコンデンサＣ５０１に蓄積される。一方、インバータ５３６はバッテリ５１２およびコンデンサＣ５０１から直流電力を受けてモータジェネレータＭＧ２を駆動する。モータジェネレータＭＧ２の回転エネルギは矢印Ｐ２に示すようにタイヤ５２０を駆動する。

つまり、従来のハイブリッド自動車においては、エネルギの大半はエンジンからモータジェネレータＭＧ１に伝達され、これにより発電された電力が交流から直流に変換され、そして再びインバータ５３６によって交流から直流に変換されモータジェネレータＭＧ２において動力に変換されていた。

そのため、モータジェネレータＭＧ１からインバータ５３７，５３６を経由してモータジェネレータＭＧ２に電力を伝達する経路は、インバータを２回通過するものであるため電力変換効率が悪い。また、モータジェネレータＭＧ１によって発電された電力がインバータ５３７によって直流に変換されたとき、一度バッテリ５１２またはキャパシタＣ５０１に電力が蓄積されるため、バッテリの寿命の問題や比較的大きなコンデンサが必要となるという問題があった。

また、特開２００２−３７４６０４号公報（特許文献１）では、交流１００Ｖを車両から出力するために、交流１００Ｖ専用の電力変換器を増設している。つまり、ハイブリッド自動車から交流１００Ｖの商用電源を出力するために専用の電力変換器を増設しなければいけないという問題がある。

この発明の目的は、エネルギ効率が向上した自動車用電源装置およびそれを備える自動車を提供することである。

この発明は要約すると、自動車用電源装置であって、ｍを３以上の自然数とするとき、内燃機関から動力を受けてｍ相の第１の交流電力を発電可能な第１の回転電機と、第１の交流電力と相の数が等しいｍ相の第２の交流電力を受けて車輪を駆動する第２の回転電機と、第１の交流電力を変換して第２の交流電力の少なくとも一部として出力するマトリクスコンバータとを備える。マトリクスコンバータは、第１の回転電機のｍ相の出力の各々と第２の回転電機のｍ相の入力の各々との間に接続されるｍ×ｍ個のスイッチング素子を含む。

好ましくは、自動車用電源装置は、バッテリと、バッテリから得られる直流電力を変換して第２の交流電力の少なくとも一部として出力するインバータとをさらに備える。

より好ましくは、自動車用電源装置は、バッテリとインバータとを電気的に接続する第１のスイッチと、マトリックスコンバータに対して電力変換の制御を行ない、かつ、第１のスイッチの開閉をマトリックスコンバータの電力変換の状態に連動して制御する制御手段とをさらに備える。

より好ましくは、自動車用電源装置は、マトリックスコンバータに対して電力変換の制御を行ない、かつ、マトリックスコンバータの電力変換の状態に連動してインバータを制御する制御手段をさらに備える。

好ましくは、スイッチング素子は、逆阻止型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタを含む。

好ましくは、自動車用電源装置は、マトリックスコンバータと第２の回転電機とを電気的に接続する第２のスイッチと、第２のスイッチとマトリックスコンバータとの間に接続され、単相交流電力を出力するためのソケットとをさらに備える。

好ましくは、自動車用電源装置は、マトリックスコンバータと第１の回転電機と電気的に接続する第３のスイッチと、第３のスイッチとマトリックスコンバータとの間に接続され、自動車外部から単相交流電力を入力するためのソケットとをさらに備える。

この発明の他の局面に従うと、自動車であって上記いずれかの自動車用電源装置を備える。

この発明による自動車用電源装置は２つの回転電機間の電力のやり取りがより直接的に行なわれるので、電力の損失を低減させることができる。

また、専用の電力変換器が不要となるので車両を小型化することができる。

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、実施の形態１のハイブリッド自動車１の構成を示す概略図である。

図１を参照して、ハイブリッド自動車１は、前輪２０Ｒ，２０Ｌと、後輪２２Ｒ，２２Ｌと、エンジン２と、プラネタリギヤ１６と、自動車用電源装置１４、デファレンシャルギヤ１８と、ギヤ４，６とを含む。

自動車用電源装置１４は、車両後方に配置されるバッテリ１２と、バッテリ１２の出力する直流電力を昇圧する昇圧ユニット３２と、昇圧ユニット３２との間で直流電力を授受するインバータ３６と、プラネタリギヤ１６を介してエンジン２の動力を受けて発電を行なうモータジェネレータＭＧ１と、回転軸がプラネタリギヤ１６に接続されるモータジェネレータＭＧ２と、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２およびインバータ３６に接続され交流電力相互の変換を行なうマトリックスコンバータ３８とを含む。

プラネタリギヤ１６は第１〜第３の回転軸を有する。第１の回転軸はエンジン２に接続され第２の回転軸はモータジェネレータＭＧ１に接続され第３の回転軸はモータジェネレータＭＧ２に接続される。

この第３の回転軸にはギヤ４が取付けられ、このギヤ４はギヤ６を駆動することによりデファレンシャルギヤ１８に動力を伝達する。デファレンシャルギヤ１８はギヤ６から受ける動力を前輪２０Ｒ，２０Ｌに伝達するとともに、前輪２０Ｒ，２０Ｌの回転力をギヤ６，４を介してプラネタリギヤの第３の回転軸に伝達する。

プラネタリギヤ１６はエンジン２，モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の間で動力を分割する役割を果たす。すなわちプラネタリギヤ１６の３つの回転軸のうちの２つの回転軸の回転が定まれば残る１つの回転軸の回転は自ずと定められる。したがって、エンジン２を最も効率のよい領域で動作させつつ、モータジェネレータＭＧ１の発電量を制御してモータジェネレータＭＧ２を駆動させることにより車速の制御を行ない、全体としてエネルギ効率のよい自動車を実現している。

直流電源であるバッテリ１２は、たとえば、ニッケル水素またはリチウムイオンなどの二次電池からなり、直流電力を昇圧ユニット３２に供給するとともに、昇圧ユニット３２からの直流電力によって充電される。

昇圧ユニット３２はバッテリ１２から受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧された直流電圧をインバータ３６に供給する。インバータ３６は供給された直流電圧を交流電圧に変換してエンジン始動時にはモータジェネレータＭＧ１を駆動制御する。また、エンジン始動後にはモータジェネレータＭＧ１が発電した交流電力はインバータ３６によって直流に変換されて昇圧ユニット３２によってバッテリ１２の充電に適切な電圧に変換されバッテリ１２が充電される。

また、ＭＧ１によって発電された三相交流の電力はマトリックスコンバータ３８を経由してモータジェネレータＭＧ２に伝達される。そしてモータジェネレータＭＧ２はエンジン２を補助して前輪２０Ｒ，２０Ｌを駆動する。

図２は、図１における自動車用電源装置１４の構成を示した回路図である。

図２を参照して、自動車用電源装置１４は、昇圧ユニット３２と、インバータ３６と、マトリックスコンバータ３８と、制御装置４０と、電圧センサ４２〜４６と、制御コントローラ４８と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、抵抗Ｒと、電源ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ４と、スイッチＳ１と、接地ラインＬ３と、Ｕ相ラインＬＵ１，ＬＵ２と、Ｖ相ラインＬＶ１，ＬＶ２と、Ｗ相ラインＬＷ１，ＬＷ２とを含む。

モータジェネレータＭＧ１は、三相交流同期電動発電機であって、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ラインＬＵ１，ＬＶ１，ＬＷ１に接続され、エンジン２の始動時には、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ラインＬＵ１，ＬＶ１，ＬＷ１から受ける交流電力によって駆動力を発生する。また、エンジン２が始動した後には、モータジェネレータＭＧ１は、図１のエンジン２からの動力をプラネタリギヤ１６を介して受けて交流電力に変換し、その変換した交流電力をＵ，Ｖ，Ｗ各相ラインＬＵ１，ＬＶ１，ＬＷ１へ出力する。

モータジェネレータＭＧ２は、三相交流同期電動機であって、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ラインＬＵ２，ＬＶ２，ＬＷ２に接続される。モータジェネレータＭＧ２は、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ラインＬＵ２，ＬＶ２，ＬＷ２から受ける交流電力によって駆動力を発生する。また、減速時には回生制動を行ないタイヤからの動力を電力に変換してＵ，Ｖ，Ｗ各相ラインＬＵ２，ＬＶ２，ＬＷ２に出力する。

なお、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２にはその回転位置を検出するための回転位置センサ５０，５２がそれぞれ設けられている。

昇圧ユニット３２は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１１，Ｑ１２と、ダイオードＤ１１，Ｄ１２と、リアクトルＬとを含む。

ＩＧＢＴ素子Ｑ１１，Ｑ１２は、電源ラインＬ２と接地ラインＬ３との間に直列に接続され、各々のゲートには制御装置４０からの制御信号を受ける。ＩＧＢＴ素子Ｑ１１のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ向かう向きが順方向となるようにダイオードＤ１１が接続される。ＩＧＢＴ素子Ｑ１２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ向かう向きが順方向となるようにダイオードＤ１２が接続される。

電源ラインＬ１はバッテリ１２の正極に接続されている。リアクトルＬの一方端は、電源ラインＬ１に接続される。リアクトルＬの他方端はＩＧＢＴ素子Ｑ１１のエミッタおよびＩＧＢＴ素子Ｑ１２のコレクタに接続される。

そして、リアクトルＬは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１２のスイッチング動作に応じてコイルに流れる電流を磁場エネルギとして蓄積することによってバッテリ１２からの直流電圧を昇圧する。昇圧された直流電圧はＩＧＢＴ素子Ｑ１２がオフ状態となったタイミングに同期してダイオードＤ１１を介して電源ラインＬ２に供給される。

このように昇圧ユニット３２は、制御装置４０からの制御信号に基づいて、バッテリ１２から受ける直流電圧を昇圧して電源ラインＬ２に供給する。また一方で、昇圧ユニット３２は、インバータ３６から受ける直流電圧を充電電圧として適切な電圧まで降圧してバッテリ１２を充電する。

コンデンサＣ１は、電源ラインＬ１と接地ラインＬ３との間に接続され、電圧変動に起因するバッテリ１２および昇圧ユニット３２に対しての影響を低減する。

スイッチＳ１は、電源ラインＬ４と、電源ラインＬ２と電源ラインＬ４との間に接続され制御装置４０によって導通／非導通が制御される。

インバータ３６は、電源ラインＬ４と接地ラインＬ３との間に並列に接続されるＵ相アーム３６Ｕ，Ｖ相アーム３６Ｖ，Ｗ相アーム３６Ｗを含む。

Ｕ相アーム３６Ｕは、電源ラインＬ４と接地ラインＬ３との間に直列に接続されるＩＧＢＴ素子Ｑ３１，Ｑ３２と、ＩＧＢＴ素子Ｑ３１に対してエミッタからコレクタに向かう向きが順方向となるように並列接続されるダイオードＤ３１と、ＩＧＢＴ素子Ｑ３２に対してエミッタからコレクタに向かう向きが順方向となるように並列接続されるダイオードＤ３２とを含む。

Ｖ相アーム３６Ｖは、電源ラインＬ４と接地ラインＬ３との間に直列に接続されるＩＧＢＴ素子Ｑ３３，Ｑ３４と、ＩＧＢＴ素子Ｑ３３に対してエミッタからコレクタに向かう向きが順方向となるように並列接続されるダイオードＤ３３と、ＩＧＢＴ素子Ｑ３４に対してエミッタからコレクタに向かう向きが順方向となるように並列接続されるダイオードＤ３４とを含む。

Ｗ相アーム３６Ｗは、電源ラインＬ４と接地ラインＬ３との間に直列に接続されるＩＧＢＴ素子Ｑ３５，Ｑ３６と、ＩＧＢＴ素子Ｑ３５に対してエミッタからコレクタに向かう向きが順方向となるように並列接続されるダイオードＤ３５と、ＩＧＢＴ素子Ｑ３６に対してエミッタからコレクタに向かう向きが順方向となるように並列接続されるダイオードＤ３６とを含む。

ラインＬＵ２は、Ｕ相アーム３６ＵのＩＧＢＴ素子Ｑ３１，Ｑ３２の接続点とモータジェネレータＭＧ２のＵ相コイルの一方端との間に接続される。ラインＬＶ２は、Ｖ相アーム３６ＶのＩＧＢＴ素子Ｑ３３，Ｑ３４の接続点とモータジェネレータＭＧ２のＶ相コイルの一方端との間に接続される。ラインＬＷ２は、Ｗ相アーム３６ＷのＩＧＢＴ素子Ｑ３５，Ｑ３６の接続点とモータジェネレータＭＧ２のＷ相コイルの一方端との間に接続される。モータジェネレータＭＧ２のＵ相，Ｖ相，Ｗ相コイルの他方端はともに中性点に結合される。

インバータ３６は、制御装置４０からの制御信号に基づいて、電源ラインＬ４から受ける直流電力を交流電力に変換してＵ，Ｖ，Ｗ各相ラインＬＵ２，ＬＶ２，ＬＷ２へ出力する。

コンデンサＣ２は、電源ラインＬ２と接地ラインＬ３との間に接続され電圧変動に起因するインバータ３６および昇圧ユニット３２に対しての影響を低減する。抵抗Ｒは、電源ラインＬ２と接地ラインＬ３との間に接続される放電抵抗である。

マトリックスコンバータ３８は、双方向スイッチング素子ＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃと、電源ラインＬＡ〜ＬＣ，Ｌａ〜Ｌｃとを含む。

電源ラインＬＡ〜ＬＣは、インバータ３６のＵ相ラインＬＵ２，Ｖ相ラインＬＶ２、Ｗ相ラインＬＷ２にそれぞれ接続される。電源ラインＬａ〜Ｌｃは、モータジェネレータＭＧ１に接続されるＵ相ラインＬＵ１，Ｖ相ラインＬＶ１，Ｗ相ラインＬＷ１にそれぞれ接続される。

つまり、マトリックスコンバータ３８は、モータジェネレータＭＧ１の３相の出力である電源ラインＬａ〜Ｌｃの各々とモータジェネレータＭＧ２の３相の入力である電源ラインＬＡ〜ＬＣの各々との間に接続される３×３個のスイッチング素子ＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃを含む。

より具体的には、９つの双方向スイッチング素子ＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃは、３行３列の行列状に配置される。双方向スイッチング素子ＳＡａは、電源ラインＬＡと電源ラインＬａとの間に接続される。双方向スイッチング素子ＳＢａは、電源ラインＬＢと電源ラインＬａとの間に接続される。双方向スイッチング素子ＳＣａは電源ラインＬＣと電源ラインＬａとの間に接続される。

また、双方向スイッチング素子ＳＡｂは、電源ラインＬＡと電源ラインＬｂとの間に接続される。双方向スイッチング素子ＳＢｂは、電源ラインＬＢと電源ラインＬｂとの間に接続される。双方向スイッチング素子ＳＣｂは電源ラインＬＣと電源ラインＬｂとの間に接続される。

また、双方向スイッチング素子ＳＡｃは、電源ラインＬＡと電源ラインＬｃとの間に接続される。双方向スイッチング素子ＳＢｃは、電源ラインＬＢと電源ラインＬｃとの間に接続される。双方向スイッチング素子ＳＣｃは電源ラインＬＣと電源ラインＬｃとの間に接続される。

そして、双方向スイッチング素子の各々は、制御装置４０から受ける制御指令に応じてスイッチング動作を行ない、オン状態のときは、対応する２つの電源ライン間で双方向に電流を通流することができる。また、双方向スイッチング素子の各々は、オフ状態のときは、対応する２つの電源ラインを電気的に分離する。

マトリックスコンバータは、交流から別の周波数の交流に直接電力変換を行なう電力変換装置である。双方向性のスイッチを用いてＰＷＭ制御を行なうことにより、任意の周波数の正弦波交流電力を発生することができる。

マトリックスコンバータを用いる構成の特徴としては、第１に、直流部分を介さずに電力変換を行なうため直流部分に必要な平滑コンデンサ等のエネルギ蓄積要素を必要としない。

第２に、交流を直流に一旦インバータで変換し、さらにこの変換された直流を別のインバータによって交流に変換する方式と比べると、スイッチング素子数は増えるが、個々のスイッチング素子のサイズは小さくできる。全体としてみれば小型で大容量の自動車用電源装置を構成することが可能となる。

３×３のマトリックスコンバータのＰＷＭ制御については、種々の提案がなされており、ここでは詳細には説明はしないが、たとえば、パトリックＷ．ホイーラーらの論文（非特許文献１）等においても紹介されている。

このマトリックスコンバータ３８は、モータジェネレータＭＧ１によって発電された三相交流電力を従来の三相全波整流インバータ方式のように三相交流を一旦直流に整流することなく、モータジェネレータＭＧ１から入力された三相交流電力をモータジェネレータＭＧ２を駆動するための三相交流電力に直接変換して出力する。

モータジェネレータＭＧ１で発電された電力をモータジェネレータＭＧ２に送るときには、制御装置４０はスイッチＳ１を非導通状態とする。

また、バッテリ１２からの電力とモータジェネレータＭＧ１で発電された電力の両方を用いてモータジェネレータＭＧ２を駆動する場合には、スイッチＳ１のオン状態とオフ状態とを時分割で制御する。

モータジェネレータＭＧ１で発電された電力をモータジェネレータＭＧ２に対して送電する瞬間においては、スイッチＳ１はオフ状態に制御されインバータ３６の動作は停止状態に制御される。そして、マトリックスコンバータ３８の内部のスイッチング素子を適切にＰＷＭ制御を行なうことによりモータジェネレータＭＧ２を駆動するための電力を発生することができる。

一方、バッテリ１２から電力をモータジェネレータに送電する瞬間においては、スイッチＳ１がオン状態に制御され、バッテリ１２から出力される直流電力が昇圧ユニット３２を介して昇圧され、そしてインバータ３６によって三相交流電力に変換されモータジェネレータＭＧ２を駆動する。このときマトリックスコンバータ３８のスイッチング素子はすべてオフ状態に制御される。

自動車用電源装置１４は２つのモータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２間の三相交流電力のやり取りがマトリックスコンバータ３８より直接的に行なわれるので、従来のように直流に一旦変換するよりも電力の損失を低減させることができる。

図３〜図６は、マトリックスコンバータに用いられるスイッチング素子の例を示した回路図である。

図３を参照して、スイッチング素子ＳＷＡは、端子Ｘにエミッタが接続され端子Ｙにコレクタが接続されるＩＧＢＴ素子６２と、端子Ｙにエミッタが接続され端子Ｘにコレクタが接続されるＩＧＢＴ素子６４とを含む。ＩＧＢＴ素子６２，６４は、ともに逆阻止機能付ＩＧＢＴ素子である。逆阻止機能付ＩＧＢＴは、近年注目されている素子であり、素子に逆方向の電圧が印加されても十分な耐圧を有するものである。

図３に示したスイッチング素子ＳＷＡは図２におけるスイッチング素子ＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃとして用いられる。制御装置４０は、ＩＧＢＴ素子６２，６４のゲートを活性化することによりＩＧＢＴ素子６２，６４を導通状態に制御する。このときに端子Ｘよりも端子Ｙの方が高電圧のときはＩＧＢＴ素子６２によって電流が流れる。ＩＧＢＴ素子６４には逆方向電圧が印加されるが、逆阻止型のＩＧＢＴであるためＩＧＢＴ素子６４は電流を流さない。

一方、端子Ｘの方が端子Ｙよりも電圧が高いときにはＩＧＢＴ素子６４に電流が流れる。ＩＧＢＴ素子６２には逆方向電圧が印加されるが、逆阻止型のＩＧＢＴであるためＩＧＢＴ素子６２は電流を流さない。このようにスイッチング素子ＳＷＡは双方向のスイッチング素子として動作する。

図４は、スイッチング素子の第２の例であるスイッチング素子ＳＷＢの回路図である。

図４を参照して、スイッチング素子ＳＷＢは、ノードＮ１にエミッタが接続され端子Ｙにコレクタが接続されるＩＧＢＴ素子７２と、ノードＮ１と端子Ｘとの間にノードＮ１から端子Ｘに向かう向きを順方向とするように接続されるダイオード７３と、端子Ｘにコレクタが接続されノードＮ１にエミッタが接続されるＩＧＢＴ素子７４と、ノードＮ１と端子Ｙとの間にノードＮ１から端子Ｙに向かう向きを順方向とするように接続されるダイオード７５とを含む。

スイッチング素子ＳＷＢは、ＩＧＢＴ素子７２，７４のゲートがともに活性化されるときは双方向に電流を流すことが可能である。

すなわち端子Ｘより端子Ｙが電圧が高い場合にはＩＧＢＴ素子７２およびダイオード７３を経由して端子Ｙから端子Ｘに電流が流れる。逆に端子Ｘの方が端子Ｙよりも電圧が高い場合にはＩＧＢＴ素子７４およびダイオード７５を介して端子Ｘから端子Ｙへと電流が流れる。

また、この構成ではダイオード７３，７５を含むのでＩＧＢＴ素子７２，７４は図３に示したような逆阻止機能付のＩＧＢＴ素子でなくてもよい。逆阻止機能付のＩＧＢＴ素子で無い場合には、両端に逆方向の電圧が印加されているときにゲートを非活性化しても逆方向電流を阻止できない。

しかし、端子Ｘより端子Ｙが電圧が高い場合はＩＧＢＴ素子７２には順方向電圧が印加されているので、ＩＧＢＴ素子７２のゲートが非活性化状態においては、ＩＧＢＴ素子７２には電流が流れない。またダイオード７５には逆方向電圧が印加されるので電流は流れない。したがって端子ＹからノードＮ１に向かって電流を遮断することができる。

一方、端子Ｙより端子Ｘが電圧が高い場合はＩＧＢＴ素子７４には順方向電圧が印加されているので、ＩＧＢＴ素子７４のゲートが非活性化状態においては、ＩＧＢＴ素子７４には電流が流れない。またダイオード７３には逆方向電圧が印加されるので電流は流れない。したがって端子ＸからノードＮ１に向かって電流を遮断することができる。

以上よりスイッチング素子ＳＷＢは双方向スイッチとして用いることが可能である。

図５は、スイッチング素子の第３の例であるスイッチング素子ＳＷＣの構成を示した図である。

図５を参照して、スイッチング素子ＳＷＣは、端子Ｙにコレクタが接続されノードＮ２にエミッタが接続されるＩＧＢＴ素子８２と、ノードＮ２と端子Ｘとの間にノードＮ２から端子Ｘに向かう向きを順方向とするように接続されるダイオード８３と、ノードＮ２Ａにエミッタが接続され端子Ｘにコレクタが接続されるＩＧＢＴ素子８４と、ノードＮ２Ａと端子Ｙとの間にノードＮ２Ａから端子Ｙに向かう向きを順方向とするように接続されるダイオード８５とを含む。

スイッチング素子ＳＷＢも、図４で示したスイッチング素子ＳＷＢと同様に、双方向スイッチとして使用することができる。

図６は、スイッチング素子の第４の例であるスイッチング素子ＳＷＤの構成を示した回路図である。

図６を参照して、スイッチング素子ＳＷＤは、端子ＸとノードＮ３との間に端子ＸからノードＮ３に向かう向きを順方向として接続されるダイオード９２と、端子ＹとノードＮ３との間に端子ＹからノードＮ３に向かう向きを順方向として接続されるダイオード９３とを含む。

スイッチング素子ＳＷＤは、さらに、端子ＸとノードＮ４との間にノードＮ４から端子Ｘに向かう向きを順方向として接続されるダイオード９４と、端子ＹとノードＮ４との間にノードＮ４から端子Ｙに向かう向きを順方向として接続されるダイオード９５と、ノードＮ３にコレクタが接続されノードＮ４にエミッタが接続されるＩＧＢＴ素子９１とを含む。

ＩＧＢＴ素子９１のゲートが活性化されると端子Ｘの方が端子Ｙよりも電位が高い場合にはダイオード９２，ＩＧＢＴ素子９１，ダイオード９５の順に電流が流れる経路が形成される。逆に端子Ｙの方が端子Ｘよりも電位が高い場合にはダイオード９３，ＩＧＢＴ素子９１，ダイオード９４の順に電流が流れる経路が形成される。

上述の場合、電流が流れる経路は必ずノードＮ３からノードＮ４に向かって電流が流れる。つまり、ノードＮ３のほうがノードＮ４より電位がいつも高い状態である。したがって、このときＩＧＢＴ素子９１のゲートが非活性化されると端子Ｘと端子Ｙとは電気的に分離される。

以上図３〜図６で例を示したスイッチング素子のいずれを用いても本発明のマトリックスコンバータ３８は実現可能である。ただし図３に示すような逆阻止機能付ＩＧＢＴ素子を使用する場合には、電流を流れる経路上にダイオードが存在しないためダイオードを通過するときに発生する熱損失分だけ他のスイッチング素子を使用する場合よりも効率を上げることができる。このため、図３に示した例を使用するのが好ましい。

図７は、図２に示した自動車用電源装置の変形例を示す回路図である。

図７を参照して自動車用電源装置１４Ａは、図２に示した自動車用電源装置１４の構成においてスイッチＳ１は取除かれ電源ラインＬ４は電源ラインＬ２に結合されている。

このような構成においては、制御装置４０は、モータジェネレータＭＧ２において必要とされる電力に応じて、インバータ３６とマトリックスコンバータ３８とに対して同時にＰＷＭ制御を行なう。

同時にＰＷＭ制御を行なうことによりマトリックスコンバータ３８から出力されるモータジェネレータＭＧ１で発電された電力とインバータ３６から出力されるバッテリ１２から供給される電力とを足し込んでモータジェネレータＭＧ２に供給することが可能となる。そうすれば、モータジェネレータＭＧ２が最大出力となるときに、インバータ３６の負荷を減らすことができる。モータジェネレータＭＧ２が最大出力となるときは、たとえば車両が高速で走行する場合である。

たとえばモータジェネレータＭＧ２の最大出力が５０ｋＷである場合には、図２で説明した時分割で駆動する方式においてはインバータ３６の最大出力も５０ｋＷ分必要であった。

これに対し図７で示した構成とすれば、モータジェネレータＭＧ１で発電される電力に対してインバータ３６で電力を足し込んでモータジェネレータＭＧ２に供給することができる。このため、インバータ３６は、モータジェネレータＭＧ２の最大出力時におけるモータジェネレータＭＧ１の発電量で補いきれない不足分の電力のみを出力するだけですむ。したがって、図２に示した場合よりもインバータ３６の出力をたとえば５０ｋＷから３０ｋＷ程度まで小さくすることが可能となる。

［実施の形態２］
図８は、実施の形態２の自動車用電源装置１１４の構成を示した回路図である。

図８を参照して、自動車用電源装置１１４は、図２で説明した自動車用電源装置１４の構成においてラインＬＵ２，ＬＶ２とラインＬＡ，ＬＢとの間にスイッチＳ２が設けられスイッチＳ２とラインＬＡ，ＬＢとの間に交流１００Ｖの出力ソケット１２２が接続される。

また、ラインＬＵ１，ＬＶ１とラインＬａ，Ｌｂとの間にスイッチＳ３が設けられ、スイッチＳ３とラインＬＡ，ＬＢとの間に交流１００Ｖの入力用のソケット１２４が接続される。以上の点において図８の自動車用電源装置１１４は図２の自動車用電源装置１４と異なる。他の部分については自動車用電源装置１１４と自動車用電源装置１４は同様であるので説明は繰返さない。

自動車用電源装置１１４は、車両をソケット１２２から交流商用電力を出力する発電所として使用することができる。この場合には、制御装置４０はスイッチＳ１，Ｓ２をともにオフ状態とし、スイッチＳ３をオン状態とする。そしてエンジンを始動させてモータジェネレータＭＧ１を用いて発電し発電された三相交流がマトリックスコンバータ３８によって単相交流１００Ｖに変換される。このとき、制御装置４０は、マトリックスコンバータ３８中のスイッチング素子ＳＣａ〜ＳＣｃは非導通状態とし、スイッチング素子ＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃに対してＰＷＭ制御を行なう。

また、自動車用電源装置１１４は、商用電源交流１００Ｖを用いて、車両に搭載されたバッテリ１２への充電と車両の電気系統への電力供給も可能である。この場合は制御装置４０は、スイッチＳ３をオフ状態とし、スイッチＳ１，Ｓ２はともにオン状態とする。

そして、ソケット１２４から入力された商用電源交流１００Ｖをマトリックスコンバータ３８によって一旦三相交流に変換する。このとき、制御装置４０は、マトリックスコンバータ３８中のスイッチング素子ＳＡｃ，ＡＢｃ，ＳＣｃは非導通状態とし、スイッチング素子ＳＡａ〜ＳＡｂ，ＳＢａ〜ＳＢｂ，ＳＣａ〜ＳＣｂに対してＰＷＭ制御を行なう。

マトリックスコンバータ３８によって変換された三相交流は、インバータ３６を用いて直流電圧に変換され、そして昇圧ユニット３２によってバッテリ１２を充電させるのに適切な電圧に変換される。

以上説明したように、実施の形態２においては、実施の形態１で得られる効果に加えて、さらに、車両から商用電源を取出したり、車両に商用電源を入力して車載バッテリを充電したりすることが可能となる。

また、実施の形態２では、商用交流電圧を出力するための専用インバータが不要となりまた従来交流−交流変換装置が備えていたリアクトルやコンデンサが不要となるのでハイブリッド自動車を小型化できる。

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。

実施の形態１のハイブリッド自動車１の構成を示す概略図である。 図１における自動車用電源装置１４の構成を示した回路図である。 マトリックスコンバータに用いられるスイッチング素子の第１の例を示した回路図である。 スイッチング素子の第２の例であるスイッチング素子ＳＷＢの回路図である。 スイッチング素子の第３の例であるスイッチング素子ＳＷＣの構成を示した図である。 スイッチング素子の第４の例であるスイッチング素子ＳＷＤの構成を示した回路図である。 図２に示した自動車用電源装置の変形例を示す回路図である。 実施の形態２の自動車用電源装置１１４の構成を示した回路図である。 従来のハイブリッド自動車のエネルギ伝達を説明するための図である。

符号の説明

ＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃ，ＳＷＡ〜ＳＷＤ スイッチング素子、Ｒ 抵抗、Ｌ３ 接地ライン、ＬＵ１，ＬＶ１，ＬＷ１，ＬＵ２，ＬＶ２，ＬＷ２ ライン、Ｘ，Ｙ 端子、Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ３１〜Ｑ３６，６２，６４，７２，７４，８２，８４，９１ ＩＧＢＴ素子、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ４，ＬＡ〜ＬＣ，Ｌａ〜Ｌｃ 電源ライン、４２〜４６ 電圧センサ、１ ハイブリッド自動車、２ エンジン、４，６ ギヤ、１２ バッテリ、１４，１４Ａ，１１４ 自動車用電源装置、１６ プラネタリギヤ、１８ デファレンシャルギヤ、２０Ｒ，２０Ｌ 前輪、２２Ｒ，２２Ｌ 後輪、３２ 昇圧ユニット、３６ インバータ、３６Ｕ Ｕ相アーム、３６Ｖ Ｖ相アーム、３６Ｗ Ｗ相アーム、３８ マトリックスコンバータ、４０ 制御装置、４８ 制御コントローラ、５０，５２ 回転位置センサ、７３，７５，８３，８５，９２〜９５，Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ３１〜Ｄ３３，Ｄ３４〜Ｄ３６ ダイオード、１２２，１２４ ソケット、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、Ｌ リアクトル、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ、Ｓ１〜Ｓ３ スイッチ。

Claims (8)

1. ｍを３以上の自然数とするとき、
   内燃機関から動力を受けてｍ相の第１の交流電力を発電可能な第１の回転電機と、
   前記第１の交流電力と相の数が等しいｍ相の第２の交流電力を受けて車輪を駆動する第２の回転電機と、
   前記第１の交流電力を変換して前記第２の交流電力の少なくとも一部として出力するマトリクスコンバータとを備え、
   前記マトリクスコンバータは、
   前記第１の回転電機のｍ相の出力の各々と前記第２の回転電機のｍ相の入力の各々との間に接続されるｍ×ｍ個のスイッチング素子を含む、自動車用電源装置。
2. バッテリと、
   前記バッテリから得られる直流電力を変換して前記第２の交流電力の少なくとも一部として出力するインバータとをさらに備える、請求項１に記載の自動車用電源装置。
3. 前記バッテリと前記インバータとを電気的に接続する第１のスイッチと、
   前記マトリックスコンバータに対して電力変換の制御を行ない、かつ、前記第１のスイッチの開閉を前記マトリックスコンバータの電力変換の状態に連動して制御する制御手段とをさらに備える、請求項２に記載の自動車用電源装置。
4. 前記マトリックスコンバータに対して電力変換の制御を行ない、かつ、前記マトリックスコンバータの電力変換の状態に連動して前記インバータを制御する制御手段をさらに備える、請求項２に記載の自動車用電源装置。
5. 前記スイッチング素子は、逆阻止型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタを含む、請求項１に記載の自動車用電源装置。
6. 前記マトリックスコンバータと前記第２の回転電機とを電気的に接続する第２のスイッチと、
   前記第２のスイッチと前記マトリックスコンバータとの間に接続され、単相交流電力を出力するためのソケットとをさらに備える、請求項１に記載の自動車用電源装置。
7. 前記マトリックスコンバータと前記第１の回転電機と電気的に接続する第３のスイッチと、
   前記第３のスイッチと前記マトリックスコンバータとの間に接続され、自動車外部から単相交流電力を入力するためのソケットとをさらに備える、請求項１に記載の自動車用電源装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の自動車用電源装置を備える自動車。

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