JP2018102070A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧源を高効率に利用可能である電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１５の第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に接続される。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に接続される。制御部６５は、第１バッテリ４１からの出力が定出力値Ｐｆｉｘとなるように、第１インバータ２０を制御する。制御部６５は、モータジェネレータ１０の要求電力であるＭＧ電力Ｐｍｇが定出力値Ｐｆｉｘより大きい場合、第１バッテリ４１および第２バッテリ４２からモータジェネレータ１０に電力が供給され、ＭＧ電力Ｐｍｇが定出力値Ｐｆｉｘ以下の場合、第１バッテリ４１から出力される余剰分の電力が第２バッテリ４２に供給されるように、第２インバータ３０を制御する。【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

しかしながら特許文献１では、モータ出力の変動に伴う電源の劣化については、なんら考慮されていない。
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、電圧源を高効率に利用可能である電力変換装置を提供することにある。

本発明の電力変換装置は、巻線（１１、１２、１３）を有する回転電機（１０）の電力を変換するのもであって、第１インバータ（２０）と、第２インバータ（３０）と、制御部（６５）と、を備える。
第１インバータは、第１スイッチング素子（２１〜２６）を有し、巻線の一端（１１１、１２１、１３１）および第１電圧源（４１、８０、８５）に接続される。
第２インバータは、第２スイッチング素子（３１〜３６）を有し、巻線の他端（１１２、１２２、１３２）および第２電圧源（４２）に接続される。
制御部は、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子のオンオフ作動を制御する。

ここで、第１インバータまたは第２インバータの一方を固定出力インバータ、当該固定出力インバータに接続される電圧源を固定出力電圧源とする。また、第１インバータまたは第２インバータの他方を可変出力インバータとし、当該可変出力インバータに接続される電圧源を可変出力電圧源とする。

制御部は、固定出力電圧源からの出力が定出力値となるように、固定出力インバータを制御する。
また、制御部は、回転電機の要求電力が定出力値より大きい場合、固定出力電圧源および可変出力電圧源から回転電機に電力が供給され、要求電力が定出力値以下の場合、固定出力電圧源から出力される余剰分の電力が可変出力電圧源に供給されるように可変出力インバータを制御する。
これにより、固定出力インバータ側の電圧源からの出力を一定にでき、当該電圧源を高効率に利用可能である。例えば、固定出力インバータ側の電圧源がバッテリであれば、当該バッテリの負荷サイクルが低減され、長寿命化が可能である。

本発明の第１実施形態による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ＭＧ電力とバッテリ電力との関係を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態において、ＭＧ電力が定出力値よりも大きい場合の動作を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態において、ＭＧ電力が定出力値以下であって、第１バッテリ電圧が第２バッテリ電圧より高い場合の動作を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態において、ＭＧ電力が定出力値以下であって、第１バッテリ電圧が第２バッテリ電圧以下の場合の動作を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態による電力移動を説明するタイムチャートである。 本発明の第１実施形態による駆動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ＭＧ電力とバッテリ電力との関係を説明する説明図である。 本発明の第３実施形態による電力変換装置の構成を示す概略構成図である。

以下、本発明による電力変化装置を図面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。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図７に示す。
図１に示すように、回転電機駆動システム１は、回転電機としてのモータジェネレータ１０、および、電力変換装置１５を備える。

モータジェネレータ１０は、図示しない車両に搭載される。車両は、例えば電気自動車やハイブリッド車両等の電動自動車であって、モータジェネレータ１０は、図示しない駆動輪を駆動するためのトルクを発生する、所謂「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、モータジェネレータを「ＭＧ」、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。
本実施形態では、Ｕ相コイル１１に流れる電流をＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相コイル１２に流れる電流をＶ相電流Ｉｖ、Ｗ相コイル１３に流れる電流をＷ相電流Ｉｗとする。また、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、および、Ｗ相電流Ｉｗを、適宜、相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗという。本実施形態では、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側から第１インバータ２０側へ流れる電流を負とする。

電力変換装置１５は、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、第２インバータ３０、および、制御部６５等を備える。
第１インバータ２０は、コイル１１〜１３の通電を切り替える３相インバータであり、スイッチング素子２１〜２６を有する。第２インバータ３０は、コイル１１〜１３の通電を切り替えるスイッチング素子３１〜３６を有する。
スイッチング素子２１は、素子部２１１および還流ダイオード２２１を有する。他のスイッチング素子２２〜２６、３１〜３６も同様、それぞれ、素子部２１２〜２１６、３１１〜３１６、および、還流ダイオード２２２〜２２６、３２１〜３２６を有する。

素子部２１１〜２１６、３１１〜３１６は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であって、制御部６５によってオンオフ作動が制御される。素子部２１１〜２１６、３１１〜３１６は、オンされたときに高電位側から低電位側への通電が許容され、オフされたときに通電が遮断される。素子部２１１〜２１６、３１１〜３１６は、ＩＧＢＴに限らず、ＭＯＳＦＥＴ等であってもよい。

還流ダイオード２２１〜２２６、３２１〜３２６は、素子部２１１〜２１６、３１１〜３１６のそれぞれと並列に接続され、低電位側から高電位側への通電を許容する。例えば、還流ダイオード２２１〜２２６、３２１〜３２６は、例えば、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオード等のように、内蔵されていてもよいし、外付けされたものであってもよい。

第１インバータ２０において、高電位側にスイッチング素子２１〜２３が接続され、低電位側にスイッチング素子２４〜２６が接続される。また、スイッチング素子２１〜２３の高電位側を接続する第１高電位側配線２７が第１バッテリ４１の正極と接続され、スイッチング素子２４〜２６の低電位側を接続する第１低電位側配線２８が第１バッテリ４１の負極と接続される。

Ｕ相のスイッチング素子２１、２４の接続点にはＵ相コイル１１の一端１１１が接続され、Ｖ相のスイッチング素子２２、２５の接続点にはＶ相コイル１２の一端１２１が接続され、Ｗ相のスイッチング素子２３、２６の接続点にはＷ相コイル１３の一端１３１が接続される。すなわち、第１インバータ２０は、コイル１１、１２、１３と第１バッテリ４１との間に接続される。

第２インバータ３０において、高電位側にスイッチング素子３１〜３３が接続され、低電位側にスイッチング素子３４〜３６が接続される。また、スイッチング素子３１〜３３の高電位側を接続する第２高電位側配線３７が第２バッテリ４２の正極と接続され、スイッチング素子３４〜３６の低電位側を接続する第２低電位側配線３８が第２バッテリ４２の負極と接続される。

Ｕ相のスイッチング素子３１、３４の接続点にはＵ相コイル１１の他端１１２が接続され、Ｖ相のスイッチング素子３２、３５の接続点にはＶ相コイル１２の他端１２２が接続され、Ｗ相のスイッチング素子３３、３６の接続点にはＷ相コイル１３の他端１３２が接続される。すなわち、第２インバータ３０は、コイル１１、１２、１３と第２バッテリ４２との間に接続される。
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、高電位側に接続されるスイッチング素子２１〜２３、３１〜３３を「上アーム素子」、低電位側に接続されるスイッチング素子２４〜２６、３４〜３６を「下アーム素子」という。

第１電圧源としての第１バッテリ４１は、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２電圧源としての第２バッテリ４２は、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。

本実施形態では、第１バッテリ４１および第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る。以下、第１バッテリ４１の電圧を第１バッテリ電圧Ｖｂ１、第２バッテリ４２の電圧を第２バッテリ電圧Ｖｂ２とする。また、本実施形態では、第１バッテリ４１の容量は、第２バッテリ４２の容量と比較して相対的に大きい、所謂「高容量型」のものであり、第２バッテリ４２は、所謂「高出力型」のものとする。

第１コンデンサ４３は、第１高電位側配線２７と第１低電位側配線２８とに接続される。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高電位側配線３７と第２低電位側配線３８とに接続される。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。

制御信号生成部６０は、第１ドライバ回路６１、第２ドライバ回路６２、および、制御部６５を有する。
制御部６５は、マイコンを主体として構成され、各種演算処理を行う。制御部６５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６５は、第１インバータ２０および第２インバータ３０を制御する。具体的には、トルク指令値ｔｒｑ^*や電流指令値Ｉｕ^*、Ｉｖ^*、Ｉｗ^*等のモータジェネレータ１０の駆動に係る指令値に基づき、スイッチング素子２１〜２６、３１〜３６の素子部２１１〜２１６、３１１〜３１６のオンオフ作動を制御する制御信号を生成し、ドライバ回路６１、６２に出力する。以下適宜、スイッチング素子２１〜２６、３１〜３６の素子部２１１〜２１６、３１１〜３１６のオンオフ作動を制御することを、単にスイッチング素子２１〜２６、３１〜３６のオンオフ作動を制御する、という。

スイッチング素子２１〜２６は、例えば第１基本波Ｆ１とキャリア波とに基づいてオンオフ作動が制御される。また、スイッチング素子３１〜３６は、例えば第２基本波Ｆ１とキャリア波とに基づいてオンオフ作動が制御される。
基本波Ｆ１、Ｆ２に応じた制御は、例えば基本波Ｆ１、Ｆ２の振幅がキャリア波の振幅以下である、すなわち変調率が１以下である正弦波ＰＷＭ制御である。または、基本波Ｆ１、Ｆ２の振幅がキャリア波の振幅より大きい、すなわち変調率が１より大きい過変調ＰＷＭ制御であってもよい。さらにまた、振幅を無限大とみなし、基本波Ｆ１、Ｆ２の半周期ごとに各素子の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、電気角の１８０°ごとに各素子のオンオフを切り替える１８０°通電制御と捉えることもできる。また、矩形波制御における通電位相は、例えば１２０°通電等、１８０°以外であってもよい。
基本波Ｆ１、Ｆ２の振幅は、等しくてもよいし、異なっていてもよい。

第１ドライバ回路６１は、制御部６５からの制御信号に応じ、素子部２１１〜２１６のオンオフ作動を制御するゲート信号を生成して出力する。第２ドライバ回路６２は、制御部６５からの制御信号に応じ、素子部３１１〜３１６のオンオフ作動を制御するゲート信号を生成して出力する。素子部２１１〜２１６、３１１〜３１６が制御信号に応じてオンオフされることで、バッテリ４１、４２の直流電力が交流電力に変換され、モータジェネレータ１０へ供給される。これにより、モータジェネレータ１０の駆動は、第１インバータ２０および第２インバータ３０を介して、制御部６５に制御される。

図２は、ＭＧ電力とバッテリ電力との関係を説明する図であって、横軸をＭＧ電力Ｐｍｇ、縦軸をバッテリ電力Ｐｂ１、Ｐｂ２とする。ここで、ＭＧ電力Ｐｍｇは、所望のトルクおよび回転数を出力するのに要する電力であって、「要求電力」に対応する。
本実施形態では、モータジェネレータ１０は、ＭＧ電力Ｐｍｇが正のとき力行状態、負のとき回生状態とする。
第１バッテリ４１は、第１バッテリ電力Ｐｂ１が正のとき放電状態、負のとき充電状態とする。第２バッテリ４２は、第２バッテリ電力Ｐｂ２が正のとき放電状態、負のとき充電状態とする。

図２では、ＭＧ電力Ｐｍｇを実線、第１バッテリ電力Ｐｂ１を一点鎖線、第２バッテリ電力Ｐｂ２を二点鎖線で示す。また、値が同じである場合、説明のため、若干ずらして記載した。
以下、第１インバータ２０が「固定出力インバータ」、第２インバータ３０が「可変出力インバータ」であって、第１バッテリ４１が「固定出力電圧源」、第２バッテリ４２が「可変出力電圧源」であるものとして説明するが、インバータ２０、３０の制御を入れ替え、第１インバータ２０を可変出力インバータ、第２インバータ３０を固定出力インバータとしてもよい。また、バッテリ４１、４２のＳＯＣ（State Of Charge）等に応じ、固定出力インバータと可変出力インバータを、適宜切り替えるようにしてもよい。第２実施形態についても同様である。

図２に示すように、モータジェネレータ１０が回生状態のとき、第１インバータ２０のスイッチング素子２１〜２６を全てオフにし、第１バッテリ電力Ｐｂ１を０とする。このとき、第１バッテリ４１への電力の入出力は行われない。また、ＭＧ電力Ｐｍｇに応じて第２インバータ３０を制御し、モータジェネレータ１０の回生駆動により生じる電力により、第２バッテリ４２を充電する。

ＭＧ電力Ｐｍｇが固定上限値Ｐｍｇ＿ｈより大きい場合、モータジェネレータ１０から所望のＭＧ電力Ｐｍｇが出力されるように、インバータ２０、３０を制御する。この場合、第１バッテリ電力Ｐｂ１を、定出力値Ｐｆｉｘより大きくする。なお、電力固定領域Ｒｆｉｘにて、第１インバータ２０を矩形波制御している場合等、第１バッテリ電力Ｐｂ１を定出力値Ｐｆｉｘより高められない場合、ＭＧ電力Ｐｍｇが固定上限値Ｐｍｇ＿ｈより大きい領域がなくてもよい。

図２の例では、ＭＧ電力Ｐｍｇが固定上限値Ｐｍｇ＿ｈより高い場合、第１バッテリ電力Ｐｂ１と第２バッテリ電力Ｐｂ２とが一致するように記載しているが、異なっていてもよい。また、図２の例では、固定上限値Ｐｍｇ＿ｈにて、第１バッテリ電力Ｐｂ１と第２バッテリ電力Ｐｂ２とが一致しているが、第１バッテリ電力Ｐｂ１と第２バッテリ電力Ｐｂ２とが異なる値となるように、固定上限値Ｐｍｇ＿ｈを設定してもよい。

モータジェネレータ１０が力行状態であって、ＭＧ電力Ｐｍｇが固定上限値Ｐｍｇ＿ｈ以下である電力固定領域Ｒｆｉｘのとき、第１バッテリ４１からの出力が定出力値Ｐｆｉｘで一定となるように、第１インバータ２０を制御する。このとき、第１基本波Ｆ１の変調率は一定である。定出力値Ｐｆｉｘは、第１バッテリ４１が高効率に電力を出力可能な値に適宜設定される。換言すると、定出力値Ｐｆｉｘは、ＭＧ電力Ｐｍｇの変動による影響を受けない値、ということである。
第１インバータ２０は、定出力値Ｐｆｉｘに応じた変調率の第１基本波Ｆ１に基づいて制御される。例えば、第１インバータ２０を矩形波制御とすれば、第１スイッチング素子２１〜２６のスイッチング損失を低減可能である。

ＭＧ電力Ｐｍｇが電力固定領域Ｒｆｉｘのとき、第２インバータ２０は、ＭＧ電力Ｐｍｇおよび定出力値Ｐｆｉｘに基づいて制御される。電力固定領域Ｒｆｉｘにおいて、ＭＧ電力Ｐｍｇが定出力値Ｐｆｉｘより大きい領域を両側放電領域Ｒｄ、ＭＧ電力Ｐｍｇが定出力値Ｐｆｉｘより小さい領域を片側充電領域Ｒｃとする。

ＭＧ電力Ｐｍｇが両側放電領域Ｒｄのとき、制御部６５は、第２基本波Ｆ２の位相を、第１基本波Ｆ１と逆位相とする。換言すると、両側放電領域Ｒｄの場合、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、ということである。本実施形態では、基本波Ｆ１、Ｆ２の位相差を１８０［°］とするが、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印加可能な程度のずれは許容される。
また、ＭＧ電力Ｐｍｇが両側放電領域Ｒｄのとき、制御部６５は、第２基本波Ｆ２の変調率を、ＭＧ電力Ｐｍｇと定出力値Ｐｆｉｘとの差に応じて設定する。具体的には、ＭＧ電力Ｐｍｇが大きくなるほど、第２基本波Ｆ２の変調率を大きくする。

逆位相の基本波Ｆ１、Ｆ２を用いてインバータ２０、３０を制御することで、第１バッテリ４１と第２バッテリ４２とが電気的に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（すなわち、Ｖｂ１＋Ｖｂ２）に応じた電圧をモータジェネレータ１０に印加可能である。
例えば、図３に示すように、スイッチング素子２１、２５、２６、３２、３３、３４がオンされているとき、矢印Ｙ１のように電流が流れ、モータジェネレータ１０は第１バッテリ４１および第２バッテリ４２の電力を用いて駆動される。なお、図３等において、オンである素子を実線、オフである素子を破線で示す。

ＭＧ電力Ｐｍｇが定出力値Ｐｆｉｘと等しい場合、制御部６５は、第２バッテリ電力Ｐｂ２を０とする。すなわち、第２バッテリ４２の入出力を０とする。具体的には、第２インバータ３０の上アーム素子３１〜３３の全相、または、下アーム素子３４〜３６の全相の一方をオン、他方をオフにすることで、第２インバータ３０を中性点化する。

図４（ａ）は、上アーム素子３１〜３３を全相オフ、下アーム素子３４〜３６を全相オンすることで第２インバータ３０を中性点化する場合の例であり、第１インバータ２０のスイッチング素子２１、２５、２６がオンであれば、矢印Ｙ２のように電流が流れる。第２インバータ３０を中性点化することで、第２バッテリ４２の電力の入出力は０となる。本実施形態では、ＭＧ電力Ｐｍｇが定出力値Ｐｆｉｘと等しい場合を片側充電領域Ｒｃに含み、第２基本波Ｆ２の変調率を０にしている、とみなす。なお、ＭＧ電力Ｐｍｇが定出力値Ｐｆｉｘと等しい場合を両側放電領域Ｒｄに含み、第２基本波Ｆ２の変調率＝０と捉えてもよい。

図２に示すように、ＭＧ電力Ｐｍｇが片側充電領域Ｒｃのとき、定出力値ＰｆｉｘがＭＧ電力Ｐｍｇより大きいので、制御部６５は、余剰分の電力が第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。
ＭＧ電力Ｐｍｇが片側充電領域Ｒｃであって、第１バッテリ電圧Ｖｂ１が第２バッテリ電圧Ｖｂ２より大きい場合、すなわちＶｂ１＞Ｖｂ２の場合、制御部６５は、第２基本波Ｆ２の位相を、第１基本波Ｆ１と同位相とする。換言すると、第１基本波Ｆ１と第２基本波Ｆ２との位相差は、略０［°］である。同位相の基本波Ｆ１、Ｆ２を用いてインバータ２０、３０を制御することで、第１バッテリ電圧Ｖｂ１と第２バッテリ電圧Ｖｂ２との差（すなわちＶｂ１−Ｖｂ２）に応じた電圧をモータジェネレータ１０に印加可能である。本実施形態では、基本波Ｆ１、Ｆ２の位相差を０［°］とするが、第１バッテリ電圧Ｖｂ１と第２バッテリ電圧Ｖｂ２との差に相当する電圧を印加可能な程度のずれは許容される。

図４（ｂ）に示すように、例えばスイッチング素子２１、２５、２６、３１、３５、３６がオンされているとき、矢印Ｙ３のように電流が流れ、モータジェネレータ１０は第１バッテリ４１の電力を用いて駆動される。また、余剰分の電力により、第２バッテリ４２が充電される。

また、ＭＧ電力Ｐｍｇが片側充電領域Ｒｃのとき、制御部６５は、第２基本波Ｆ２の変調率を、ＭＧ電力Ｐｍｇに応じて設定する。具体的には、定出力値ＰｆｉｘとＭＧ電力Ｐｍｇとの差が大きくなるほど、第２基本波Ｆ２の変調率を大きくする。
第２基本波Ｆ２の変調率を変えることで、図４（ａ）に示す第２インバータ３０が中性点化される状態と、図４（ｂ）に示す第２バッテリ４２が充電される状態との割合を制御している、と捉えることもできる。これにより、ＭＧ電力Ｐｍｇに応じ、第１バッテリ４１から第２バッテリ４２に移動される電力量である電力移動量が制御される。

ＭＧ電力Ｐｍｇが片側充電領域Ｒｃであって、第１バッテリ電圧Ｖｂ１が第２バッテリ電圧Ｖｂ２以下の場合、すなわちＶｂ１≦Ｖｂ２の場合、制御部６５は、チョッパ動作により、第１バッテリ４１の電力を第２バッテリ４２に移動させる。
チョッパ動作では、第１バッテリ４１の電力を第２バッテリ４２に移動させない非充電期間と、第１バッテリ４１の電力を第２バッテリ４２に移動させる充電期間と、を周期的に切り替える。非充電期間と充電期間との割合は、第１バッテリ電圧Ｖｂ１と第２バッテリ電圧Ｖｂ２との電圧差、および、定出力値ＰｆｉｘとＭＧ電力Ｐｍｇとの差に応じて設定される。

非充電期間において、第２インバータ３０は、図５（ａ）に示す中性点状態となるように制御される。図５（ａ）は、図４（ａ）と同様であり、第２インバータ３０の上アーム素子３１〜３３、または、下アーム素子３４〜３６の一方を全相オン、他方を全相オフとする。

充電期間において、第２インバータ３０は、図５（ｂ）に示す全オフ状態、または、図５（ｃ）に示す同相スイッチ状態となるように制御される。
図５（ｂ）に示すように、全オフ状態では、第２インバータ３０のスイッチング素子３１〜３６を全オフにする。中性点状態と全オフ状態とを切り替えるとき、全オフ状態の前の中性点状態と、後の中性点状態とで、全オンされるアームを切り替えてもよい。この場合、全オフ期間は、オンされるアームの切り替えに伴うデッドタイムと捉えることができる。

図５（ｃ）に示すように、同相スイッチング状態では、同位相の基本波Ｆ１、Ｆ２を用いてインバータ２０、３０を制御する。基本波Ｆ１、Ｆ２の振幅が等しければ、各相のスイッチング状態が第１インバータ２０と第２インバータ３０とで同様となる。図５（ｃ）では、第１インバータ２０および第２インバータ３０において、Ｕ相の上アーム素子２１、３１がオンされ、Ｖ相およびＷ相の下アーム素子２５、２６、３５、３６がオンされる状態を示している。

チョッパ動作では、コイル１１〜１３が昇圧コンバータにおけるインダクタとして機能し、非充電期間において、第２インバータ３０を中性点化することで、コイル１１〜１３にエネルギが蓄積される。充電期間に切り替わると、コイル１１〜１３に蓄積されたエネルギが放出され、第２バッテリ４２が充電される。これにより、第１バッテリ４１の電力が第２バッテリ４２に移動する。

詳細には、第２インバータ３０が中性点化されているときに素子部を経由して高電位側から低電位側に電流が流れているスイッチング素子をオフすることで通電経路が切り替わり、第１バッテリ４１の電力を第２バッテリ４２に移動可能である。例えば、図５（ａ）のように、下アーム素子３４〜３６がオン、Ｕ相電流Ｉｕが正、Ｖ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗが負のとき、Ｕ相では素子部３１４、Ｖ相及びＷ相では還流ダイオード３２５、３２６に電流が流れる。この状態から、Ｕ相の下アーム素子３４をオフにすると、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、Ｕ相電流Ｉｕは、還流ダイオード３２１に通電され、第２バッテリ４２の正極に流れ込む。これにより、第２バッテリ４２が充電される。上アーム素子３１〜３３をオンすることで第２インバータ３０が中性点化されている場合についても同様、素子部を経由して電流が流れている相のスイッチング素子をオフにすると、当該相における通電経路が切り替わることで、第２バッテリ４２が充電される。

ここで、充電期間を同相スイッチング状態とし、１相または２相のスイッチング素子のオンオフを切り替える場合、スイッチング素子３１〜３６を全てオフにする場合と比較し、スイッチング状態を切り替える素子数が少ないので、スイッチング損失を低減可能である。また、充電期間を全オフ状態とし、スイッチング素子３１〜３６を全てオフする場合、制御が容易である。

チョッパ動作における充電期間にコイル１１〜１３に流れる電流である零相電流は、トルクには影響しない。図６に示すように、相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、零相電流分がオフセットされた波形となる。このオフセット分の電流に応じた電力が、第１バッテリ４１から第２バッテリ４２に移動する。
第１バッテリ４１から第２バッテリ４２へ移動される電力量は、非充電期間と充電期間との割合により調整可能である。

本実施形態の駆動制御処理を図７のフローチャートに基づいて説明する。この処理は、イグニッションスイッチ等である始動スイッチがオンされているときに、制御部６５にて所定の周期で実行される。以下、ステップＳ１０１の「ステップ」を省略し、単に記号「Ｓ」と記す。他のステップも同様である。
最初のＳ１０１では、制御部６５は、ＭＧ電力Ｐｍｇが０以上か否かを判断する。ＭＧ電力Ｐｍｇが０以上であると判断された場合（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、Ｓ１０３へ移行する。ＭＧ電力ＰＭＧが０未満であると判断された場合（Ｓ１０１：ＮＯ）、Ｓ１０２へ移行する。

Ｓ１０２では、制御部６５は、スイッチング素子２１〜２６を全てオフにして第１インバータ２０を停止する。また、制御部６５は、ＭＧ電力Ｐｍｇに応じて第２インバータ３０を回生駆動し、第２バッテリ４２を充電する。なお、バッテリ４１、４２のＳＯＣに応じ、第２バッテリ４２に替えて第１バッテリ４１を充電してもよいし、バッテリ４１、４２を充電してもよい。

ＭＧ電力Ｐｍｇが０以上であると判断された場合（Ｓ１０１：ＹＥＳ）に移行するＳ１０３では、制御部６５は、ＭＧ電力Ｐｍｇが固定上限値Ｐｍｇ＿ｈ以下か否かを判断する。ＭＧ電力Ｐｍｇが固定上限値Ｐｍｇ＿ｈ以下であると判断された場合（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、Ｓ１０５へ移行する。ＭＧ電力Ｐｍｇが固定上限値Ｐｍｇ＿ｈより大きいと判断された場合（Ｓ１０３：ＮＯ）、Ｓ１０４へ移行する。
Ｓ１０４では、制御部６５は、インバータ２０、３０を、ＭＧ電力Ｐｍｇに応じて制御する。
なお、電力固定領域Ｒｆｉｘより高出力領域がなければ、Ｓ１０３およびＳ１０４の処理は省略可能である。

ＭＧ電力Ｐｍｇが０以上、固定上限値Ｐｍｇ＿ｈ以下であると判断された場合（Ｓ１０１：ＹＥＳ、かつ、Ｓ１０３：ＹＥＳ）、すなわちＭＧ電力Ｐｍｇが電力固定領域Ｒｆｉｘである場合に移行するＳ１０５では、定出力値Ｐｆｉｘを設定し、Ｓ１０６へ移行する。定出力値Ｐｆｉｘは、所定値としてもよいし、バッテリ４１、４２のＳＯＣ、環境条件、および、運転履歴情報の少なくとも１つに応じて可変としてもよい。環境条件には、回転電機駆動システム１が搭載される車両の外部環境である温度、湿度、および、気圧の少なくとも１つが含まれる。また、低温時等、固定出力インバータからの一定出力制御を行わない場合等、環境条件等に応じ、Ｓ１０４に移行するようにしてもよい。

Ｓ１０６では、制御部６５は、ＭＧ電力Ｐｍｇが定出力値Ｐｆｉｘより大きいか否かを判断する。ＭＧ電力Ｐｍｇが定出力値Ｐｆｉｘ以下であると判断された場合（Ｓ１０６：ＮＯ）、Ｓ１０８へ移行する。ＭＧ電力Ｐｍｇが定出力値Ｐｆｉｘより大きいと判断された場合（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、Ｓ１０７へ移行する。

Ｓ１０７では、制御部６５は、第１バッテリ４１の出力が定出力値Ｐｆｉｘとなるように、一定の変調率の第１基本波Ｆ１に基づき、第１インバータ２０を制御する。また、制御部６５は、ＭＧ電力Ｐｍｇと定出力値Ｐｆｉｘとの差分が出力されるように、第１基本波Ｆ１と逆位相の第２基本波Ｆ２に基づき、第２インバータ３０を制御する（図３参照）。第２基本波Ｆ２の変調率は、ＭＧ電力Ｐｍｇが定出力値Ｐｆｉｘに近いほど小さい値となるように設定される。すなわち、基本波Ｆ１、Ｆ２の変調率は、ＭＧ電力Ｐｍｇと定出力値Ｐｆｉｘとの差が小さいほど、大きい。Ｓ１０９にて、基本波Ｆ１、Ｆ２を同位相とする場合も同様である。

ＭＧ電力Ｐｍｇが定出力値Ｐｆｉｘ以下であると判断された場合（Ｓ１０６：ＮＯ）に移行するＳ１０８では、制御部６５は、第１バッテリ電圧Ｖｂ１が第２バッテリ電圧Ｖｂ２より大きいか否かを判断する。第１バッテリ電圧Ｖｂ１が第２バッテリ電圧Ｖｂ２以下であると判断された場合（Ｓ１０８：ＮＯ）、Ｓ１１０へ移行する。第１バッテリ電圧Ｖｂ１が第２バッテリ電圧Ｖｂ２より大きいと判断された場合（Ｓ１０８：ＹＥＳ）、Ｓ１０９へ移行する。

Ｓ１０９では、制御部６５は、第１バッテリ４１の出力が定出力値Ｐｆｉｘとなるように、一定の変調率にて、第１インバータ２０を制御する。また、制御部６５は、定出力値ＰｆｉｘからＭＧ電力Ｐｍｇを除いた余剰分の電力が第２バッテリ４２に充電されるように、第１基本波Ｆ１と同位相の第２基本波Ｆ２に基づき、第２インバータ３０を制御する（図４参照）。

第１バッテリ電圧Ｖｂ１が第２バッテリ電圧Ｖｂ２以下であると判断された場合（Ｓ１０８：ＮＯ）に移行するＳ１１０では、制御部６５は、第１バッテリ４１の出力が定出力値Ｐｆｉｘとなるように、一定の変調率にて、第１インバータ２０を制御する。また、制御部６５は、定出力値ＰｆｉｘからＭＧ電力Ｐｍｇを差し引いた余剰分の電力を第２バッテリ４２に充電すべく、非充電期間と充電期間とを切り替えるチョッパ動作となるように、第２インバータ３０を制御する（図５参照）。

本実施形態では、モータジェネレータ１０の両側にインバータ２０、３０が接続される構成において、ＭＧ電力が所定の範囲内において、固定出力インバータである第１インバータ２０側に設けられる第１バッテリ４１の出力を一定とする。また、可変出力インバータである第２インバータ３０を、モータジェネレータ１０の要求電力、および、第１インバータ２０側からの出力に基づき、第２インバータ３０を制御する。第１バッテリ４１の出力を一定とすることで、電池の負荷サイクルが低減され、電池寿命を延ばすことができる。

以上説明したように、本実施形態の電力変換装置１５は、コイル１１〜１３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６５と、を備える。
第１インバータ２０は、第１スイッチング素子２１〜２６を有し、コイル１１、１２、１３の一端１１１、１２１、１３１、および、第１バッテリ４１に接続される。
第２インバータ３０は、第２スイッチング素子３１〜３６を有し、コイル１１、１２、１３の他端１１２、１２２、１３２、および、第２バッテリ４２に接続される。
制御部６５は、第１スイッチング素子２１〜２６および第２スイッチング素子３１〜３６のオンオフ作動を制御する。

第１インバータ２０または第２インバータ３０の一方を固定出力インバータ、当該固定出力インバータに接続される電圧源を固定出力電圧源とする。また、第１インバータ２０または第２インバータ３０の他方を可変出力インバータ、当該可変出力インバータに接続される電圧源を可変出力電圧源とする。
引き続き、第１インバータ２０が固定出力インバータ、第１バッテリ４１が固定出力電圧源、第２インバータ３０が可変出力インバータ、第２バッテリ４２が可変出力電圧源として説明する。

制御部６５は、第１バッテリ４１からの出力が定出力値Ｐｆｉｘとなるように、第１インバータ２０を制御する。
制御部６５は、モータジェネレータ１０の要求電力であるＭＧ電力Ｐｍｇが定出力値Ｐｆｉｘより大きい場合、第１バッテリ４１および第２バッテリ４２からモータジェネレータ１０に電力が供給され、ＭＧ電力Ｐｍｇが定出力値Ｐｆｉｘ以下の場合、第１バッテリ４１から出力される余剰分の電力が第２バッテリ４２に供給されるように、第２インバータ３０を制御する。

本実施形態では、固定出力電圧源からの出力が一定となるようにしているので、固定出力電圧源を高効率に利用可能である。固定出力インバータが第１インバータ２０であれば、第１バッテリ４１の出力が一定となるので、バッテリの負荷サイクルが低減され、第１バッテリ４１を長寿命化することができる。固定出力インバータを第２インバータ３０とする場合も同様である。

制御部６５は、ＭＧ電力Ｐｍｇが定出力値Ｐｆｉｘより大きい場合、第２スイッチング素子３１〜３６を、第１スイッチング素子２１〜２６の制御に用いられる変調波とは逆位相の変調波に基づいて制御する。
これにより、第１バッテリ４１と第２バッテリ４２とを直列に接続しているとみなせる状態となり、固定出力インバータ側からの定出力値Ｐｆｉｘに加え、不足分を可変出力インバータ側から出力させることができ、所望の電力を得ることができる。

スイッチング素子２１〜２６、３１〜３６は、それぞれ、高電位側から低電位側への通電の許容および遮断を切り替え可能である素子部２１１〜２１６、３１１〜３１６、および、低電位側から高電位側への通電を許容するダイオード２２１〜２２６、３２１〜３２６を有する。
制御部６５は、ＭＧ電力Ｐｍｇが定出力値Ｐｆｉｘより小さく、第１バッテリ電圧Ｖｂ１が第２バッテリ電圧Ｖｂ２より高い場合、第１スイッチング素子２１〜２６および第２スイッチング素子３１〜３６を同位相の変調波に基づいて制御する。
これにより、ＭＧ電力Ｐｍｇに対する第１インバータ２０からの出力の余剰分を、第２バッテリ４２に適切に移動させることができる。

制御部６５は、ＭＧ電力Ｐｍｇが定出力値Ｐｆｉｘより小さく、第１バッテリ電圧Ｖｂ１が第２バッテリ電圧Ｖｂ２以下の場合、第２バッテリ４２への電力移動が行われない非充電期間と、第２バッテリ４２への電力移動が行われる充電期間とを周期的に切り替える。
非充電期間において、第２インバータ３０にて高電位側に接続される上アーム素子３１〜３３、または、低電位側に接続される下アーム素子３４〜３６の一方を全相オン、他方を全相オフにする中性点状態とする。
充電期間において、第２インバータ３０の全てのスイッチング素子３１〜３６をオフにする全オフ状態、または、第１インバータ２０と第２インバータ３０とを同位相の変調波に基づいて制御する同相スイッチング状態とする。

第２インバータ３０を中性点状態とする非充電期間と、全オフ状態または同相スイッチング状態とする充電期間とを切り替えることで、コイル１１〜１３をインダクタとみなしたチョッパ動作とすることができる。これにより、第１バッテリ電圧Ｖｂ１が第２バッテリ電圧Ｖｂ２以下の場合であっても、ＭＧ電力Ｐｍｇに対する第１バッテリ４１からの出力の余剰分を、第２バッテリ４２に適切に移動させることができる。
したがって、バッテリ電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２によらず、余剰分の電力を、第２バッテリ４２に適切に移動させることができる。

可変出力インバータである第２インバータ３０の制御に用いられる変調波である第２基本波Ｆ２の変調率は、ＭＧ電力Ｐｍｇと定出力値Ｐｆｉｘとの差が大きいほど大きい。
これにより、所望のＭＧ電力Ｐｍｇ、および、電力移動を実現することができる。

定出力値Ｐｆｉｘは、バッテリ４１、４２の少なくとも一方のＳＯＣ、環境条件、および、モータジェネレータ１０を主機モータとして用いている車両の運転履歴情報の少なくとも１つに応じて可変である。
これにより、定出力値Ｐｆｉｘを適切に設定することができる

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図８に示す。
図８に示すように、本実施形態では、第１バッテリ４１からの定出力値を２段階としている。具体的には、モータジェネレータ１０が力行状態であって、ＭＧ電力Ｐｇｍが第１電力固定領域Ｒｆｉｘ１のとき、制御部６５は、第１バッテリ４１からの出力が第１定出力値Ｐｆｉｘ１となるように、第１インバータ２０を制御する。また、ＭＧ電力Ｐｍｇが第２電力固定領域Ｒｆｉｘ２のとき、制御部６５は、第１バッテリ４１からの出力が第２定出力値Ｐｆｉｘ２となるように、第１インバータ２０を制御する。
また、制御部６５は、ＭＧ電力Ｐｍｇおよび定出力値Ｐｆｉｘ１、Ｐｆｉｘ２に基づき、第２インバータ３０を制御する。制御の詳細は、第１実施形態と同様である。

定出力値Ｐｆｉｘ１、Ｐｆｉｘ２等は、適宜設定可能である。本実施形態では、モータジェネレータ１０が力行状態のとき、第１バッテリ４１からの出力を２段階の定出力値にて固定しているが、３段階以上としてもよい。
このように構成しても、上記実施形態と同様の効果を奏する。また、固定出力インバータからの出力を段階的に切り替えることで、片側充電領域Ｒｃを小さくすることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図９に基づいて説明する。
図９に示すように、本実施形態の第１インバータ２０には、第３インバータ９０および発電機８５を経由して、エンジン８０が接続されている。エンジン８０は、図示しないエンジン制御部により制御される。
発電機８５は、コイル８６〜８８を有している。また、第３インバータ９０は、スイッチング素子９１〜９６を有する三相インバータである。エンジン８０、発電機８５および第３インバータ９０には、公知のものを用いればよい。

本実施形態では、上記実施形態の第１バッテリ４１に替えて、エンジン８０が接続されている。この場合、第１インバータ２０を固定出力インバータとし、エンジン８０を高効率領域にて一定駆動することで、第１インバータ２０側からの出力を一定にする。また、第２インバータ３０を可変出力インバータとし、第２インバータ３０側からの出力を可変とすることで、所望のＭＧ電力Ｐｍｇを実現する。

本実施形態では、エンジン８０および発電機８５が第１電圧源である。この場合、第１インバータ２０を固定出力インバータとし、第２インバータ３０を可変出力インバータとする。
エンジン８０側のインバータを固定出力インバータとすることで、エンジン８０を高効率領域にて一定駆動することができるので、全体としての効率を高めることができる。

（他の実施形態）
（１）電圧源
上記実施形態では、電圧源として、リチウムイオン電池等を例示した。他の実施形態では、電圧源は、リチウムイオン電池以外の鉛蓄電池、燃料電池、または、電気二重層キャパシタ等であってもよい。第１実施形態では、第１バッテリを高容量型、第２バッテリを高出力型のものとした。他の実施形態では、第１バッテリおよび第２バッテリとして、どのようなものを用いてもよく、例えば同等のものとしてもよい。
（２）回転電機
上記実施形態では、回転電機はモータジェネレータである。他の実施形態では、回転電機は、発電機の機能を持たない電動機であってもよいし、電動機の機能を持たない発電機であってもよい。また、上記実施形態の回転電機は３相である。他の実施形態では、回転電機は、４相以上としてもよい。

また、上記実施形態では、回転電機が電動車両の主機モータである。他の実施形態では、回転電機は、主機モータに限らず、例えばスタータ機能とオルタネータ機能とを併せ持つ、所謂ＩＳＧ（Integrated Starter Generator）や、補機モータであってもよい。また、電力変換装置を車両以外の装置に適用してもよい。
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。

１０・・・モータジェネレータ（回転電機）
１５・・・電力変換装置
２０・・・第１インバータ ２１〜２６・・・第１スイッチング素子
３０・・・第２インバータ ３１〜３６・・・第２スイッチング素子
４１・・・第１バッテリ（第１電圧源）
４２・・・第２バッテリ（第２電圧源）
６５・・・制御部
８０・・・エンジン（第１電圧源）
８５・・・発電機（第１電圧源）

Claims (6)

1. 巻線（１１、１２、１３）を有する回転電機（１０）の電力を変換する電力変換装置であって、
   第１スイッチング素子（２１〜２６）を有し、前記巻線の一端（１１１、１２１、１３１）および第１電圧源（４１、８０、８５）に接続される第１インバータ（２０）と、
   第２スイッチング素子（３１〜３６）を有し、前記巻線の他端（１１２、１２２、１３２）および第２電圧源（４２）に接続される第２インバータ（３０）と、
   前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子のオンオフ作動を制御する制御部（６５）と、
   を備え、
   前記第１インバータまたは前記第２インバータの一方を固定出力インバータ、当該固定出力インバータに接続される電圧源を固定出力電圧源とし、
   前記第１インバータまたは前記第２インバータの他方を可変出力インバータ、当該可変出力インバータに接続される電圧源を可変出力電圧源とし、
   前記制御部は、
   前記固定出力電圧源からの出力が定出力値となるように、前記固定出力インバータを制御し、
   前記回転電機の要求電力が前記定出力値より大きい場合、前記固定出力電圧源および前記可変出力電圧源から前記回転電機に電力が供給され、前記要求電力が前記定出力値以下の場合、前記固定出力電圧源から出力される余剰分の電力が前記可変出力電圧源に供給されるように前記可変出力インバータを制御する電力変換装置。
2. 前記制御部は、前記要求電力が前記定出力値より大きい場合、前記可変出力インバータのスイッチング素子を、前記固定出力インバータのスイッチング素子の制御に用いられる変調波とは逆位相の変調波に基づいて制御する請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子は、それぞれ、高電位側から低電位側への通電の許容および遮断を切り替え可能である素子部（２１１〜２１６、３１１〜３１６）、および、低電位側から高電位側への通電を許容するダイオード（２２１〜２２６、３２１〜３２６）を有し、
   前記制御部は、
   前記要求電力が前記定出力値より小さく、前記固定出力電圧源の電圧が前記可変出力電圧源の電圧より高い場合、前記固定出力インバータおよび前記可変出力インバータのスイッチング素子を同位相の変調波に基づいて制御し、
   前記要求電力が前記定出力値より小さく、前記固定出力電圧源の電圧が前記可変出力電圧源の電圧以下の場合、前記可変出力電圧源への電力移動が行われない非充電期間と、前記可変出力電圧源への電力移動が行われる充電期間とが周期的に切り替え、
   前記非充電期間において、前記可変出力インバータにて高電位側に接続される上アーム素子または低電位側に接続される下アーム素子の一方を全相オン、他方を全相オフにする中性点状態とし、
   前記充電期間において、前記可変出力インバータの全てのスイッチング素子をオフにする全オフ状態、または、前記固定出力インバータと前記可変出力インバータとを同位相の変調波に基づいて制御する同相スイッチング状態とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記可変出力インバータの制御に用いられる変調波の変調率は、前記要求電力と前記定出力値との差が大きいほど大きい請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 前記定出力値は、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の充電状態、環境条件、ならびに、前記回転電機を主機モータとして用いている車両の運転履歴情報の少なくとも１つに応じて可変である請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 前記第１電圧源がエンジン（８０）および発電機（８５）である場合、
   前記第１インバータを、前記固定出力インバータとし、
   前記第２インバータを、前記可変出力インバータとする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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