JP2010035279A - 電源システムおよび電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】車両外部の交流電源と電力を授受可能な電動車両の電源システムにおいてさらなる高効率化を図る。
【解決手段】交流バス１０が設けられ、モータジェネレータ１６−１，１６−２、電気負荷２２および車両外部の系統交流電源４０と交流バス１０との間でマトリックスコンバータにより直接交流−交流変換が行なわれる。そして、交流バス１０と蓄電装置２４との間にインバータ１４が接続され、インバータ１４を制御することによって、交流バス１０の電圧が不必要に高くならないように交流バス１０の電圧が調整される。
【選択図】図１

Description

この発明は、電源システムおよび電動車両に関し、特に、車両外部の交流電源からの受電および前記交流電源への給電の少なくとも一方を実行可能に構成された車両の電源システムおよびそれを搭載した電動車両に関する。

環境に配慮した車両として、電気自動車やハイブリッド車、燃料電池車などの電動車両が注目されている。これらの車両は、走行駆動力を発生する電動機と、電動機に供給される電力を蓄える蓄電装置とを搭載する。ハイブリッド車は、電動機とともに内燃機関をさらに動力源として搭載した車両であり、燃料電池車は、車両駆動用の直流電源として燃料電池を搭載した車両である。

これらの車両では、電力によって走行駆動力を発生するので、効率的な電力変換が課題となる。特開２００６−２５５７７号公報（特許文献１）は、高効率に電力変換可能なマトリックスコンバータを搭載したハイブリッド車を開示する。このハイブリッド車においては、第１および第２の交流回転電機がマトリックスコンバータに接続され、マトリックスコンバータによって第１および第２の交流回転電機間で直接交流−交流変換が行なわれる。

すなわち、このハイブリッド車においては、直流リンク部を介することなく、マトリックスコンバータにより第１および第２の交流回転電機間で相互かつ直接に電力変換が行なわれる。したがって、このハイブリッド車によれば、電力損失の小さい高効率な自動車が実現される（特許文献１参照）。
特開２００６−２５５７７号公報 特開２００５−３３３７８３号公報 特開２００７−３２６４４９号公報

近年、ハイブリッド車においても、車両外部の交流電源（系統電源など）から充電可能ないわゆるプラグインハイブリッド車が大きく注目されている。このプラグインハイブリッド車では、エネルギー源に占める電力の比率が通常のハイブリッド車に比べて高いので、高効率化へのさらなる期待が大きい。

上記特開２００６−２５５７７号公報に開示されるハイブリッド車は、マトリックスコンバータを用いて第１および第２の交流回転電機間で直接電力変換する点で高効率化が図られており有用であるが、上記公報では、車両外部の交流電源からの充電は考慮されていない。

それゆえに、この発明の目的は、車両外部の交流電源と電力を授受可能な電源システムにおいてさらなる高効率化を図ることである。

また、この発明の別の目的は、車両外部の交流電源と電力を授受可能な電動車両においてさらなる高効率化を図ることである。

この発明によれば、電源システムは、車両外部の交流電源からの受電および車両外部の交流電源への給電の少なくとも一方を実行可能に構成された車両の電源システムである。車両は、充放電可能な蓄電装置と、交流電力を受けて動作する交流電気負荷とを搭載する。電源システムは、交流バスと、第１および第２のマトリックスコンバータと、インバータと、制御装置とを備える。交流バスは、交流電力を通電する。第１のマトリックスコンバータは、交流バスと交流電気負荷との間に接続され、与えられる第１の制御信号に基づいて交流バスと交流電気負荷との間で電圧変換を行なう。第２のマトリックスコンバータは、交流バスに接続され、車両外部の交流電源からの受電時または交流電源への給電時、与えられる第２の制御信号に基づいて交流バスと交流電源との間で電圧変換を行なう。インバータは、交流バスと蓄電装置との間に接続され、与えられる第３の制御信号に基づいて交流バスと蓄電装置との間で電圧変換を行なう。制御装置は、交流電気負荷の要求電力に基づいて第１の制御信号を生成し、車両外部の交流電源と授受される電力を指示する電力指令値に基づいて第２の制御信号を生成し、インバータによって交流バスの電圧を所定の目標電圧に調整するように第３の制御信号を生成する。

好ましくは、制御装置は、交流電気負荷の要求電圧と交流電源の電圧とに基づいて目標電圧を設定する。

さらに好ましくは、制御装置は、交流電気負荷の要求電圧と車両外部の交流電源の電圧とのうち高い方を目標電圧として設定する。

また、この発明によれば、電動車両は、車両外部の交流電源からの受電および車両外部の交流電源への給電の少なくとも一方を実行可能な電動車両であって、充放電可能な蓄電装置と、交流電動機と、交流バスと、第１および第２のマトリックスコンバータと、インバータと、制御装置とを備える。交流電動機は、交流電力を受けて走行駆動力を発生する。交流バスは、交流電力を通電する。第１のマトリックスコンバータは、交流バスと交流電動機との間に接続され、与えられる第１の制御信号に基づいて交流バスと交流電動機との間で電圧変換を行なう。第２のマトリックスコンバータは、交流バスに接続され、車両外部の交流電源からの受電時または交流電源への給電時、与えられる第２の制御信号に基づいて交流バスと交流電源との間で電圧変換を行なう。インバータは、交流バスと蓄電装置との間に接続され、与えられる第３の制御信号に基づいて交流バスと蓄電装置との間で電圧変換を行なう。制御装置は、交流電動機の要求電力に基づいて第１の制御信号を生成し、車両外部の交流電源と授受される電力を指示する電力指令値に基づいて第２の制御信号を生成し、インバータによって交流バスの電圧を所定の目標電圧に調整するように第３の制御信号を生成する。

好ましくは、電動車両は、交流電力を受けて動作する交流電気負荷と、第３のマトリックスコンバータとをさらに備える。第３のマトリックスコンバータは、交流バスと交流電気負荷との間に接続され、与えられる第４の制御信号に基づいて交流バスと交流電気負荷との間で電圧変換を行なう。そして、制御装置は、さらに、交流電気負荷の要求電力に基づいて第４の制御信号を生成し、交流電動機の要求電圧と交流電気負荷の要求電圧と交流電源の電圧とに基づいて目標電圧を設定する。

さらに好ましくは、制御装置は、交流電動機の要求電圧、交流電気負荷の要求電圧および交流電源の電圧のうち、最も高い電圧を目標電圧として設定する。

この発明においては、電力バスを交流化し、車載の交流電気負荷や車両外部の交流電源と交流バスとの間でマトリックスコンバータにより直接交流−交流変換が行なわれる。そして、交流バスと蓄電装置との間にインバータが接続され、インバータを制御することによって、交流バスの電圧が不必要に高くならないように所定の目標電圧に交流バスの電圧が調整される。したがって、この発明によれば、高効率なシステムが実現される。

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。

図１は、この発明の実施の形態による電動車両の一例として示されるハイブリッド車の全体ブロック図である。図１を参照して、ハイブリッド車１００は、交流バス１０と、マトリックスコンバータ１２−１〜１２−４と、インバータ１４と、モータジェネレータ１６−１，１６−２と、駆動輪１８と、エンジン２０と、電気負荷２２と、蓄電装置２４と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２６とを備える。また、ハイブリッド車１００は、電流センサ３０−１〜３０−５と、電圧センサ３２，３４，３６と、回転位置センサ３８−１，３８−２とをさらに備える。

交流バス１０は、マトリックスコンバータ１２−１〜１２−４およびインバータ１４間で三相交流電力をやり取りするための電路である。マトリックスコンバータ１２−１〜１２−４の各々は、９個（３×３）の双方向スイッチ（後述）により直接交流−交流変換を実現する電力変換器である。

マトリックスコンバータ１２−１は、交流バス１０とモータジェネレータ１６−１との間に接続される。マトリックスコンバータ１２−１は、交流バス１０から三相交流電力を受け、ＥＣＵ２６から受ける制御信号ＰＷＭ１に基づいてモータジェネレータ１６−１を駆動する。また、ハイブリッド車１００の制動時、マトリックスコンバータ１２−１は、モータジェネレータ１６−１から受ける三相交流電力を交流バス１０の電圧に同期した三相交流電力に変換し、その変換した三相交流電力を交流バス１０へ出力する。

モータジェネレータ１６−１は、三相交流回転電機であり、たとえば三相交流同期電動機から成る。モータジェネレータ１６−１は、駆動輪１８と連結され、ハイブリッド車１００の走行駆動力を発生する。また、モータジェネレータ１６−１は、ハイブリッド車１００の制動時、駆動輪１８から受ける運動エネルギーによって発電し、発生した三相交流電力をマトリックスコンバータ１２−１へ出力する。

マトリックスコンバータ１２−２は、交流バス１０とモータジェネレータ１６−２との間に接続される。マトリックスコンバータ１２−２は、ＥＣＵ２６から受ける制御信号ＰＷＭ２に基づいて、モータジェネレータ１６−２から受ける三相交流電力を交流バス１０の電圧に同期した三相交流電力に変換する。そして、マトリックスコンバータ１２−２は、その変換した三相交流電力を交流バス１０へ出力する。また、エンジン２０の始動時、マトリックスコンバータ１２−２は、交流バス１０から三相交流電力を受け、ＥＣＵ２６から受ける制御信号ＰＷＭ２に基づいてモータジェネレータ１６−２を力行駆動する。

モータジェネレータ１６−２は、三相交流回転電機であり、たとえば三相交流同期電動機から成る。モータジェネレータ１６−２は、エンジン２０と連結され、エンジン２０が発生する運動エネルギーによって発電し、発生した三相交流電力をマトリックスコンバータ１２−２へ出力する。また、エンジン２０の始動時、モータジェネレータ１６−２は、エンジン２０のクランキングを行なう。

エンジン２０は、燃料の燃焼による熱エネルギーをピストンやロータなどの運動子の運動エネルギーに変換し、その変換された運動エネルギーをモータジェネレータ１６−２へ出力する。たとえば、運動子がピストンであり、その運動が往復運動であれば、いわゆるクランク機構を介して往復運動が回転運動に変換され、ピストンの運動エネルギーがモータジェネレータ１６−２に伝達される。なお、エンジン２０が発生する運動エネルギーを、図示されない動力分割装置などを用いてモータジェネレータ１６−２と駆動輪１８とに分割して出力してもよい。

マトリックスコンバータ１２−３は、交流バス１０と車両外部の系統交流電源４０（三相電源とする。）との間に接続される。系統交流電源４０からハイブリッド車１００への給電時、マトリックスコンバータ１２−３は、ＥＣＵ２６から受ける制御信号ＰＷＭ３に基づいて、系統交流電源４０から供給される三相交流電力を交流バス１０の電圧に同期した三相交流電力に変換する。そして、マトリックスコンバータ１２−３は、その変換した三相交流電力を交流バス１０へ出力する。また、ハイブリッド車１００から系統交流電源４０への給電時、マトリックスコンバータ１２−３は、制御信号ＰＷＭ３に基づいて、交流バス１０から供給される三相交流電力を系統交流電源４０に同期した三相交流電力に変換する。そして、マトリックスコンバータ１２−３は、その変換した三相交流電力を系統交流電源４０へ出力する。

マトリックスコンバータ１２−４は、交流バス１０と電気負荷２２との間に接続される。マトリックスコンバータ１２−４は、交流バス１０から三相交流電力を受け、ＥＣＵ２６から受ける制御信号ＰＷＭ４に基づいて電気負荷２２を駆動する。電気負荷２２は、三相交流電力を受けて動作可能であり、たとえば、電動エアコン用のコンプレッサなどから成る。

インバータ１４は、三相ブリッジ回路から成る直流−交流電力変換器である。インバータ１４は、交流バス１０と蓄電装置２４との間に接続される。このインバータ１４は、交流バス１０と蓄電装置２４との間で電力を授受することにより、交流バス１０の電圧を所定値に調整する。具体的には、インバータ１４は、ＥＣＵ２６から受ける制御信号ＰＷＭＩに基づいて、蓄電装置２４から出力される直流電力を交流バス１０の電圧に同期した三相交流電力に変換して交流バス１０へ出力したり、交流バス１０から受ける三相交流電力を直流電力に変換して蓄電装置２４へ出力することにより、交流バス１０の電圧を所定値に調整する。

蓄電装置２４は、交流バス１０の電圧を所定値に調整するための電力バッファである。蓄電装置２４は、充放電可能な直流電源であり、たとえば、ニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池から成る。なお、蓄電装置２４として、大容量のキャパシタも採用可能であり、交流バス１０から供給される電力を一時的に蓄え、その蓄えた電力を交流バス１０へ再び供給可能な電力バッファであれば如何なるものでもよい。

電流センサ３０−１〜３０−４は、マトリックスコンバータ１２−１〜１２−４に入出力される電流Ｉ１〜Ｉ４をそれぞれ検出してＥＣＵ２６へ出力する。電流センサ３０−５は、インバータ１４に入出力される電流Ｉ５を検出してＥＣＵ２６へ出力する。電圧センサ３２は、交流バス１０の電圧ＶＡＣを検出してＥＣＵ２６へ出力する。電圧センサ３４は、蓄電装置２４の電圧ＶＢを検出してＥＣＵ２６へ出力する。電流センサ３５は、蓄電装置２４に入出力される電流ＩＢを検出してＥＣＵ２６へ出力する。電圧センサ３６は、系統交流電源４０の電圧ＶＧを検出してＥＣＵ２６へ出力する。回転位置センサ３８−１，３８−２は、モータジェネレータ１６−１のロータの回転角θ１およびモータジェネレータ１６−２のロータの回転角θ２をそれぞれ検出してＥＣＵ２６へ出力する。

ＥＣＵ２６は、上述した各センサから検出値を受ける。また、ＥＣＵ２６は、図示されない上位のＥＣＵからモータジェネレータ１６−１，１６−２のトルク目標値ＴＲ１，ＴＲ２を受ける。そして、これらの値に基づいて、ＥＣＵ２６は、モータジェネレータ１６−１を駆動するためのＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を制御信号ＰＷＭ１としてマトリックスコンバータ１２−１へ出力する。また、ＥＣＵ２６は、モータジェネレータ１６−２を駆動するためのＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を制御信号ＰＷＭ２としてマトリックスコンバータ１２−２へ出力する。さらに、ＥＣＵ２６は、系統交流電源４０との充放電電力を示す電力指令値に基づいて、マトリックスコンバータ１２−３を制御するためのＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を制御信号ＰＷＭ３としてマトリックスコンバータ１２−３へ出力する。また、さらに、ＥＣＵ２６は、電気負荷２２を駆動するためのＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を制御信号ＰＷＭ４としてマトリックスコンバータ１２−４へ出力する。また、さらに、ＥＣＵ２６は、インバータ１４を制御することによって交流バス１０の電圧を目標電圧に調整するためのＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を制御信号ＰＷＭＩとしてインバータ１４へ出力する。

このハイブリッド車１００においては、交流バス１０が設けられ、交流バス１０にマトリックスコンバータ１２−１〜１２−４が接続される。そして、モータジェネレータ１６−１，１６−２、電気負荷２２および車両外部の系統交流電源４０間で交流バス１０を介して電力がやり取りされる。また、交流バス１０にはインバータ１４がさらに接続され、インバータ１４を介して交流バス１０と蓄電装置２４との間で電力を授受可能である。そして、インバータ１４を制御することによって、交流バス１０の電圧が不必要に高くならないように交流バス１０の電圧が調整される。

図２は、図１に示したマトリックスコンバータ１２−１〜１２−４の回路図である。なお、以下では、説明の便宜上、端子５０−１〜５０−３を入力端子と称し、端子５２−１〜５２−３を出力端子と称するが、端子５２−１〜５２−３から入力される三相交流を変換して端子５０−１〜５０−３へ出力することも可能である。

図２を参照して、各マトリックスコンバータは、双方向スイッチＳ１〜Ｓ９を含む。双方向スイッチＳ１〜Ｓ９は、ＥＣＵ２６（図１）からの制御信号に応じてオン／オフ制御される。双方向スイッチＳ１は、入力端子５０−１と出力端子５２−１との間に接続される。双方向スイッチＳ２は、入力端子５０−１と出力端子５２−２との間に接続される。双方向スイッチＳ３は、入力端子５０−１と出力端子５２−３との間に接続される。双方向スイッチＳ４は、入力端子５０−２と出力端子５２−１との間に接続される。双方向スイッチＳ５は、入力端子５０−２と出力端子５２−２との間に接続される。双方向スイッチＳ６は、入力端子５０−２と出力端子５２−３との間に接続される。双方向スイッチＳ７は、入力端子５０−３と出力端子５２−１との間に接続される。双方向スイッチＳ８は、入力端子５０−３と出力端子５２−２との間に接続される。双方向スイッチＳ９は、入力端子５０−３と出力端子５２−３との間に接続される。

そして、これらの双方向スイッチＳ１〜Ｓ９を交流バス１０の電圧周波数より十分高い周波数でＰＷＭ制御することにより、入力端子５０−１〜５０−３と出力端子５２−１〜５２−３との間で交流−交流変換を実現できる。なお、ＰＷＭ制御の方法としては、たとえば、三相交流のうち電位差が最大となる二線間をスイッチングする方法や、中間電圧を利用しながらスイッチングする方法など、種々の公知の方法を用いることができる。

図３は、図２に示した双方向スイッチＳ１〜Ｓ９の構成を示す回路図である。図３を参照して、双方向スイッチＳ１〜Ｓ９の各々は、パワートランジスタ６２，６４と、ダイオード６６，６８とから成る。パワートランジスタ６２，６４は、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）から成る。

パワートランジスタ６２は、コレクタが端子７０に接続され、ダイオード６６のアノードにエミッタが接続され、ＥＣＵ２６（図１）からの制御信号をベースに受ける。ダイオード６６は、パワートランジスタ６２のエミッタにアノードが接続され、カソードが端子７２に接続される。パワートランジスタ６４は、コレクタが端子７２に接続され、ダイオード６８のアノードにエミッタが接続され、ＥＣＵ２６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６４のエミッタにアノードが接続され、カソードが端子７０に接続される。そして、パワートランジスタ６２とダイオード６６との接続点は、パワートランジスタ６４とダイオード６８との接続点と接続される。

この双方向スイッチにおいては、ＥＣＵ２６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がオンし、パワートランジスタ６２およびダイオード６６を介して端子７０から端子７２へ電流を流すことができる。また、制御信号が活性化されると、パワートランジスタ６４もオンし、パワートランジスタ６４およびダイオード６８を介して端子７２から端子７０へも電流を流すことができる。

したがって、制御信号が活性化されたとき、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６６を介して端子７０から端子７２へ電流が流れる。なお、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６４に逆方向の電流は流れない。また、制御信号が活性化されたとき、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６４およびダイオード６８を介して端子７２から端子７０へ電流が流れる。なお、ダイオード６６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ない。

図４は、図２に示した双方向スイッチＳ１〜Ｓ９の他の構成を示す回路図である。図４を参照して、双方向スイッチＳ１〜Ｓ９の各々は、パワートランジスタ７４，７６から成る。パワートランジスタ７４，７６は、逆阻止機能付きＩＧＢＴから成る。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ものである。

パワートランジスタ７４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、ＥＣＵ２６（図１）からの制御信号をベースに受ける。パワートランジスタ７６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、ＥＣＵ２６からの制御信号をベースに受ける。

この双方向スイッチにおいては、制御信号が活性化されると、パワートランジスタ７４，７６がいずれもオンする。したがって、制御信号が活性化されたとき、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７４を介して端子７０から端子７２へ電流が流れる。なお、パワートランジスタ７６には逆バイアスがかかるが、パワートランジスタ７６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、制御信号が活性化されたとき、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７６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７４には逆バイアスがかかるが、パワートランジスタ７４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は、図１に示したインバータ１４の回路図である。図５を参照して、インバータ１４は、三相ブリッジ回路から成り、Ｕ相アーム８０、Ｖ相アーム８２およびＷ相アーム８４を含む。Ｕ相アーム８０、Ｖ相アーム８２およびＷ相アーム８４は、正極線ＰＬと負極線ＮＬとの間に並列に接続される。Ｕ相アーム８０は、スイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２と、ダイオードＤ１１，Ｄ１２を含む。スイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２は、正極線ＰＬと負極線ＮＬとの間に直列に接続され、ダイオードＤ１１，Ｄ１２は、それぞれスイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２に逆並列に接続される。Ｖ相アーム８２は、スイッチング素子Ｓ１３，Ｓ１４と、ダイオードＤ１３，Ｄ１４を含む。スイッチング素子Ｓ１３，Ｓ１４は、正極線ＰＬと負極線ＮＬとの間に直列に接続され、ダイオードＤ１３，Ｄ１４は、それぞれスイッチング素子Ｓ１３，Ｓ１４に逆並列に接続される。Ｗ相アーム８４は、スイッチング素子Ｓ１５，Ｓ１６と、ダイオードＤ１５，Ｄ１６を含む。スイッチング素子Ｓ１５，Ｓ１６は、正極線ＰＬと負極線ＮＬとの間に直列に接続され、ダイオードＤ１５，Ｄ１６は、それぞれスイッチング素子Ｓ１５，Ｓ１６に逆並列に接続される。

そして、Ｕ相アーム８０の中間点に交流バス１０（図１）のＵ相線が接続され、Ｖ相アーム８２の中間点に交流バス１０のＶ相線が接続され、Ｗ相アーム８４の中間点に交流バス１０のＷ相線が接続される。なお、スイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１６は、たとえば、ＩＧＢＴから成る。

図６は、図１に示したＥＣＵ２６の機能ブロック図である。図６を参照して、ＥＣＵ２６は、回転数算出部１０２と、電圧設定部１０４と、周波数設定部１０６と、マトリックスコンバータ制御部１０８，１１０，１１２，１１４と、インバータ制御部１１６とを含む。

回転数算出部１０２は、回転位置センサ３８−１によって検出される回転角θ１に基づいてモータジェネレータ１６−１の回転数（角速度）ω１を算出する。また、回転数算出部１０２は、回転位置センサ３８−２によって検出される回転角θ２に基づいてモータジェネレータ１６−２の回転数（角速度）ω２を算出する。そして、回転数算出部１０２は、その算出された回転数ω１，ω２を電圧設定部１０４および周波数設定部１０６へ出力する。

電圧設定部１０４は、モータジェネレータ１６−１，１６−２のトルク目標値ＴＲ１，ＴＲ２、系統交流電源４０の電圧ＶＧの検出値、および回転数算出部１０２によって算出されたモータジェネレータ１６−１，１６−２の回転数ω１，ω２を受ける。そして、電圧設定部１０４は、これらの各値に基づいて交流バス１０の目標電圧ＶＲ（実効値）を設定し、その設定した目標電圧ＶＲをマトリックスコンバータ制御部１０８，１１０，１１２，１１４およびインバータ制御部１１６へ出力する。

周波数設定部１０６は、回転数算出部１０２によって算出されたモータジェネレータ１６−１，１６−２の回転数ω１，ω２を受ける。そして、周波数設定部１０６は、回転数ω１，ω２に基づいて交流バス１０の電圧の周波数ＦＲを設定し、その設定した周波数ＦＲをマトリックスコンバータ制御部１０８，１１０，１１２，１１４およびインバータ制御部１１６へ出力する。

マトリックスコンバータ制御部１０８は、トルク目標値ＴＲ１、交流バス１０の目標電圧ＶＲおよび周波数ＦＲ、マトリックスコンバータ１２−１に入出力される電流Ｉ１の検出値、ならびにモータジェネレータ１６−１の回転角θ１の検出値を受ける。そして、マトリックスコンバータ制御部１０８は、これらの各値に基づいて、モータジェネレータ１６−１を駆動するための制御信号ＰＷＭ１を生成し、その生成した制御信号ＰＷＭ１をマトリックスコンバータ１２−１へ出力する。

マトリックスコンバータ制御部１１０は、トルク目標値ＴＲ２、目標電圧ＶＲ、周波数ＦＲ、マトリックスコンバータ１２−２に入出力される電流Ｉ２の検出値、およびモータジェネレータ１６−２の回転角θ２の検出値を受ける。そして、マトリックスコンバータ制御部１１０は、これらの各値に基づいて、モータジェネレータ１６−２を駆動するための制御信号ＰＷＭ２を生成し、その生成した制御信号ＰＷＭ２をマトリックスコンバータ１２−２へ出力する。

マトリックスコンバータ制御部１１２は、系統交流電源４０との充放電電力を示す電力指令値ＰＲ、系統交流電源４０の電圧ＶＧの検出値、目標電圧ＶＲ、周波数ＦＲ、およびマトリックスコンバータ１２−３に入出力される電流Ｉ３の検出値を受ける。そして、マトリックスコンバータ制御部１１２は、その各値に基づいて、マトリックスコンバータ１２−３を制御するための制御信号ＰＷＭ３を生成し、その生成した制御信号ＰＷＭ３をマトリックスコンバータ１２−３へ出力する。

マトリックスコンバータ制御部１１４は、電気負荷２２の要求電力ＰＲＬ、目標電圧ＶＲ、周波数ＦＲ、およびマトリックスコンバータ１２−４に入出力される電流Ｉ４の検出値を受ける。そして、マトリックスコンバータ制御部１１４は、これらの各値に基づいて、電気負荷２２を駆動するための制御信号ＰＷＭ４を生成し、その生成した制御信号ＰＷＭ４をマトリックスコンバータ１２−４へ出力する。

インバータ制御部１１６は、目標電圧ＶＲ、周波数ＦＲ、および交流バス１０の電圧ＶＡＣの検出値を受ける。そして、インバータ制御部１１６は、交流バス１０の電圧ＶＡＣを目標電圧ＶＲおよび周波数ＦＲに調整するための制御信号ＰＷＭＩを生成し、その生成した制御信号ＰＷＭＩをインバータ１４へ出力する。

図７は、図６に示した電圧設定部１０４の詳細な機能ブロック図である。図７を参照して、電圧設定部１０４は、要求電圧算出部１２０，１２２と、最大値選択部１２４とを含む。要求電圧算出部１２０は、モータジェネレータ１６−１の回転数およびトルクとモータジェネレータ１６−１の要求電圧との関係について予め定められたマップまたは演算式を用いて、モータジェネレータ１６−１のトルク目標値ＴＲ１と回転数算出部１０２によって算出されたモータジェネレータ１６−１の回転数ω１とに基づいてモータジェネレータ１６−１の要求電圧を求める。

要求電圧算出部１２２は、モータジェネレータ１６−２の回転数およびトルクとモータジェネレータ１６−２の要求電圧との関係について予め定められたマップまたは演算式を用いて、モータジェネレータ１６−２のトルク目標値ＴＲ２と回転数算出部１０２によって算出されたモータジェネレータ１６−２の回転数ω２とに基づいてモータジェネレータ１６−２の要求電圧を求める。

最大値選択部１２４は、要求電圧算出部１２０によって求められたモータジェネレータ１６−１の要求電圧と、要求電圧算出部１２２によって求められたモータジェネレータ１６−２の要求電圧と、系統交流電源４０の電圧ＶＧとのうち、実効値レベルで最も大きいものを選択し、その選択された電圧を交流バス１０の目標電圧ＶＲ（実効値）として設定する。

図８は、図６に示した周波数設定部１０６の詳細な機能ブロック図である。図８を参照して、周波数設定部１０６は、平均値算出部１２６と、リミッタ１２８とを含む。平均値算出部１２６は、モータジェネレータ１６−１，１６−２の回転数ω１，ω２の平均値を算出し、その算出値を交流バス１０の電圧の周波数として仮設定する。リミッタ１２８は、平均値算出部１２６の算出値が所定の範囲を超える場合には、平均値算出部１２６の算出値を所定の範囲に制限する。そして、リミッタ１２８は、その出力を交流バス１０の電圧の周波数ＦＲとして設定する。

図９は、図６に示したマトリックスコンバータ制御部１０８の詳細な機能ブロック図である。図９を参照して、マトリックスコンバータ制御部１０８は、電流指令生成部１３０と、電流制御部１３２と、ＰＷＭ信号変換部１３４とを含む。電流指令生成部１３０は、モータジェネレータ１６−１のトルク目標値ＴＲ１に基づいて、マトリックスコンバータ１２−１に入出力される電流Ｉ１の目標値を算出する。電流制御部１３２は、電圧設定部１０４および周波数設定部１０６からそれぞれ受ける交流バス１０の目標電圧ＶＲおよび周波数ＦＲと、電流指令生成部１３０から受ける電流Ｉ１の目標値と、電流Ｉ１の検出値と、モータジェネレータ１６−１の回転角θ１の検出値とに基づいて、電流Ｉ１を目標値に制御するための変調波を生成する。ＰＷＭ信号変換部１３４は、電流制御部１３２によって生成された変調波および所定のキャリア信号に基づいて、マトリックスコンバータ１２−１の双方向スイッチをオン／オフするための制御信号ＰＷＭ１を生成し、その生成した制御信号ＰＷＭ１をマトリックスコンバータ１２−１へ出力する。

図１０は、図６に示したマトリックスコンバータ制御部１１０の詳細な機能ブロック図である。図１０を参照して、マトリックスコンバータ制御部１１０は、電流指令生成部１３６と、電流制御部１３８と、ＰＷＭ信号変換部１４０とを含む。電流指令生成部１３６は、モータジェネレータ１６−２のトルク目標値ＴＲ２に基づいて、マトリックスコンバータ１２−２に入出力される電流Ｉ２の目標値を算出する。電流制御部１３８は、交流バス１０の目標電圧ＶＲおよび周波数ＦＲと、電流指令生成部１３６から受ける電流Ｉ２の目標値と、電流Ｉ２の検出値と、モータジェネレータ１６−２の回転角θ２の検出値とに基づいて、電流Ｉ２を目標値に制御するための変調波を生成する。ＰＷＭ信号変換部１４０は、電流制御部１３８によって生成された変調波および所定のキャリア信号に基づいて、マトリックスコンバータ１２−２の双方向スイッチをオン／オフするための制御信号ＰＷＭ２を生成し、その生成した制御信号ＰＷＭ２をマトリックスコンバータ１２−２へ出力する。

図１１は、図６に示したマトリックスコンバータ制御部１１２の詳細な機能ブロック図である。図１１を参照して、マトリックスコンバータ制御部１１２は、電流指令生成部１４２と、電流制御部１４４と、ＰＷＭ信号変換部１４６とを含む。電流指令生成部１４２は、系統交流電源４０とやり取りする電力の目標量を示す電力指令値ＰＲと、系統交流電源４０の電圧ＶＧの検出値とに基づいて、マトリックスコンバータ１２−３に入出力される電流Ｉ３の目標値を算出する。電流制御部１４４は、交流バス１０の目標電圧ＶＲおよび周波数ＦＲと、電流指令生成部１４２から受ける電流Ｉ３の目標値と、電流Ｉ３の検出値とに基づいて、電流Ｉ３を目標値に制御するための変調波を生成する。ＰＷＭ信号変換部１４６は、電流制御部１４４によって生成された変調波および所定のキャリア信号に基づいて、マトリックスコンバータ１２−３の双方向スイッチをオン／オフするための制御信号ＰＷＭ３を生成し、その生成した制御信号ＰＷＭ３をマトリックスコンバータ１２−３へ出力する。

図１２は、図６に示したマトリックスコンバータ制御部１１４の詳細な機能ブロック図である。図１２を参照して、マトリックスコンバータ制御部１１４は、電流指令生成部１４８と、電流制御部１５０と、ＰＷＭ信号変換部１５２とを含む。電流指令生成部１４８は、電気負荷２２の要求電力ＰＲＬに基づいて、マトリックスコンバータ１２−４に入出力される電流Ｉ４の目標値を算出する。電流制御部１５０は、交流バス１０の目標電圧ＶＲおよび周波数ＦＲと、電流指令生成部１４８から受ける電流Ｉ４の目標値と、電流Ｉ４の検出値とに基づいて、電流Ｉ４を目標値に制御するための変調波を生成する。ＰＷＭ信号変換部１５２は、電流制御部１５０によって生成された変調波および所定のキャリア信号に基づいて、マトリックスコンバータ１２−４の双方向スイッチをオン／オフするための制御信号ＰＷＭ４を生成し、その生成した制御信号ＰＷＭ４をマトリックスコンバータ１２−４へ出力する。

図１３は、図６に示したインバータ制御部１１６の詳細な機能ブロック図である。図１３を参照して、インバータ制御部１１６は、ＣＶＣＦ制御部１５４と、ＰＷＭ信号変換部１５６とを含む。ＣＶＣＦ制御部１５４は、交流バス１０の目標電圧ＶＲおよび周波数ＦＲと、交流バス１０の電圧ＶＡＣの検出値とに基づいて、交流バス１０の電圧ＶＡＣを目標電圧ＶＲおよび周波数ＦＲに調整するための変調波を生成する。ＰＷＭ信号変換部１５６は、ＣＶＣＦ制御部１５４によって生成された変調波および所定のキャリア信号に基づいて、インバータ１４のスイッチング素子をオン／オフするための制御信号ＰＷＭＩを生成し、その生成した制御信号ＰＷＭＩをインバータ１４へ出力する。

以上のように、この実施の形態においては、交流バス１０が設けられ、モータジェネレータ１６−１，１６−２、電気負荷２２および車両外部の系統交流電源４０と交流バス１０との間でマトリックスコンバータにより直接交流−交流変換が行なわれる。また、交流バス１０にはインバータ１４がさらに接続され、インバータ１４によって交流バス１０の電圧が調整される。ここで、交流バス１０の電圧は、モータジェネレータ１６−１，１６−２の要求電圧および系統交流電源４０の電圧ＶＧうち実効値レベルで最も大きいものに合わせて調整される。すなわち、交流バス１０の電圧は、必要最小限のレベルに調整される。したがって、この実施の形態によれば、高効率なシステムが実現される。

なお、上記の実施の形態においては、系統交流電源４０は、三相電源としたが、単相電源であってもよい。この場合は、マトリックスコンバータ１２−３は、２×３の双方向スイッチで構成される。また、系統交流電源４０は、マトリックスコンバータ１２−３に接続されるものとしたが、系統交流電源４０からマトリックスコンバータ１２−３への給電は非接触に行なわれるものであってもよい。たとえば、非接触送電技術として、電磁誘導を用いた送電や、電波を用いた送電、共鳴法による送電などが知られており、これらの手法を用いて系統交流電源４０からマトリックスコンバータ１２−３へ非接触で給電することができる。

また、上記においては、系統交流電源４０とハイブリッド車１００との間で双方向に電力を授受可能としたが、系統交流電源４０からハイブリッド車１００への給電およびハイブリッド車１００から系統交流電源４０への給電のいずれか一方のみ可能であってもよい。

また、上記において、インバータ１４と蓄電装置２４との間に、インバータに与えられる直流電圧を蓄電装置２４の電圧以上に調整する昇圧コンバータをさらに備えてもよい。

また、上記においては、電動車両の一例としてハイブリッド車について説明したが、この発明は、エンジン２０を備えずに電力のみで走行する電気自動車や、直流電源として蓄電装置に加えて燃料電池をさらに備える燃料電池車にも適用可能である。

なお、上記において、モータジェネレータ１６−１，１６−２および電気負荷２２は、この発明における「交流電気負荷」に対応し、マトリックスコンバータ１２−１，１２−２，１２−４は、この発明における「第１のマトリックスコンバータ」に対応する。また、マトリックスコンバータ１２−３は、この発明における「第２のマトリックスコンバータ」に対応し、ＥＣＵ２６は、この発明における「制御装置」に対応する。

さらに、モータジェネレータ１６−１は、この発明における「交流電動機」に対応し、マトリックスコンバータ１２−１は、この発明における「前記交流バスと前記交流電動機との間で電圧変換を行なう第１のマトリックスコンバータ」に対応する。また、さらに、モータジェネレータ１６−２は、この発明における「交流電気負荷」に対応し、マトリックスコンバータ１２−２は、この発明における「第３のマトリックスコンバータ」に対応する。

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による電動車両の一例として示されるハイブリッド車両の全体ブロック図である。 図１に示すマトリックスコンバータの回路図である。 図２に示す双方向スイッチの構成を示す回路図である。 図２に示す双方向スイッチの他の構成を示す回路図である。 図１に示すインバータの回路図である。 図１に示すＥＣＵの機能ブロック図である。 図６に示す電圧設定部の詳細な機能ブロック図である。 図６に示す周波数設定部の詳細な機能ブロック図である。 図６に示すマトリックスコンバータ制御部１０８の詳細な機能ブロック図である。 図６に示すマトリックスコンバータ制御部１１０の詳細な機能ブロック図である。 図６に示すマトリックスコンバータ制御部１１２の詳細な機能ブロック図である。 図６に示すマトリックスコンバータ制御部１１４の詳細な機能ブロック図である。 図６に示すインバータ制御部の詳細な機能ブロック図である。

符号の説明

１０ 交流バス、１２−１〜１２−４ マトリックスコンバータ、１４ インバータ、１６−１，１６−２ モータジェネレータ、１８ 駆動輪、２０ エンジン、２２ 電気負荷、２４ 蓄電装置、２６ ＥＣＵ、３０−１〜３０−５，３５ 電流センサ、３２，３４，３６ 電圧センサ、３８−１，３８−２ 回転位置センサ、４０ 系統交流電源、６２，６４，７４，７６ パワートランジスタ、６６，６８ ダイオード、８０ Ｕ相アーム、８２ Ｖ相アーム、８４ Ｗ相アーム、１００ ハイブリッド車両、１０２ 回転数算出部、１０４ 電圧設定部、１０６ 周波数設定部、１０８，１１０，１１２，１１４ マトリックスコンバータ制御部、１１６ インバータ制御部、１２０，１２２ 要求電圧算出部、１２４ 最大値選択部、１２６ 平均値算出部、１２８ リミッタ、１３０，１３６，１４２，１４８ 電流指令生成部、１３２，１３８，１４４，１５０ 電流制御部、１３４，１４０，１４６，１５２，１５６ ＰＷＭ信号変換部、１５４ ＣＶＣＦ制御部、Ｓ１〜Ｓ９ 双方向スイッチ、ＰＬ 正極線、ＮＬ 負極線、Ｓ１１〜Ｓ１６ スイッチング素子、Ｄ１１〜Ｄ１６ ダイオード。

Claims (6)

1. 車両外部の交流電源からの受電および前記交流電源への給電の少なくとも一方を実行可能に構成された車両の電源システムであって、前記車両は、充放電可能な蓄電装置と交流電力を受けて動作する交流電気負荷とを搭載し、
   前記交流電力を通電する交流バスと、
   前記交流バスと前記交流電気負荷との間に接続され、与えられる第１の制御信号に基づいて前記交流バスと前記交流電気負荷との間で電圧変換を行なう第１のマトリックスコンバータと、
   前記交流バスに接続され、前記交流電源からの受電時または前記交流電源への給電時、与えられる第２の制御信号に基づいて前記交流バスと前記交流電源との間で電圧変換を行なう第２のマトリックスコンバータと、
   前記交流バスと前記蓄電装置との間に接続され、与えられる第３の制御信号に基づいて前記交流バスと前記蓄電装置との間で電圧変換を行なうインバータと、
   前記交流電気負荷の要求電力に基づいて前記第１の制御信号を生成し、前記交流電源と授受される電力を指示する電力指令値に基づいて前記第２の制御信号を生成し、前記インバータによって前記交流バスの電圧を所定の目標電圧に調整するように前記第３の制御信号を生成する制御装置とを備える電源システム。
2. 前記制御装置は、前記交流電気負荷の要求電圧と前記交流電源の電圧とに基づいて前記目標電圧を設定する、請求項１に記載の電源システム。
3. 前記制御装置は、前記交流電気負荷の要求電圧と前記交流電源の電圧とのうち高い方を前記目標電圧として設定する、請求項２に記載の電源システム。
4. 車両外部の交流電源からの受電および前記交流電源への給電の少なくとも一方を実行可能な電動車両であって、
   充放電可能な蓄電装置と、
   交流電力を受けて走行駆動力を発生する交流電動機と、
   前記交流電力を通電する交流バスと、
   前記交流バスと前記交流電動機との間に接続され、与えられる第１の制御信号に基づいて前記交流バスと前記交流電動機との間で電圧変換を行なう第１のマトリックスコンバータと、
   前記交流バスに接続され、前記交流電源からの受電時または前記交流電源への給電時、与えられる第２の制御信号に基づいて前記交流バスと前記交流電源との間で電圧変換を行なう第２のマトリックスコンバータと、
   前記交流バスと前記蓄電装置との間に接続され、与えられる第３の制御信号に基づいて前記交流バスと前記蓄電装置との間で電圧変換を行なうインバータと、
   前記交流電動機の要求電力に基づいて前記第１の制御信号を生成し、前記交流電源と授受される電力を指示する電力指令値に基づいて前記第２の制御信号を生成し、前記インバータによって前記交流バスの電圧を所定の目標電圧に調整するように前記第３の制御信号を生成する制御装置とを備える電動車両。
5. 前記交流電力を受けて動作する交流電気負荷と、
   前記交流バスと前記交流電気負荷との間に接続され、与えられる第４の制御信号に基づいて前記交流バスと前記交流電気負荷との間で電圧変換を行なう第３のマトリックスコンバータとをさらに備え、
   前記制御装置は、さらに、前記交流電気負荷の要求電力に基づいて前記第４の制御信号を生成し、前記交流電動機の要求電圧と前記交流電気負荷の要求電圧と前記交流電源の電圧とに基づいて前記目標電圧を設定する、請求項４に記載の電動車両。
6. 前記制御装置は、前記交流電動機の要求電圧、前記交流電気負荷の要求電圧および前記交流電源の電圧のうち、最も高い電圧を前記目標電圧として設定する、請求項５に記載の電動車両。

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