(57)【要約】【課題】小型化・長寿命化を図りつつ、発電機から電気負荷への電力供給を効率的に行うことができる車両用電源装置を提供すること。【解決手段】交流電力を発電する発電機１７０と、交流電力により駆動される電気負荷１８０とを電気的に接続する接続部を有し、前記接続部は、入力された交流電力を別の特性の交流電力に変換するＡＣ／ＡＣ変換部（マトリクスコンバータ１１０）を有する。【選択図】図１
2010206880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力を発電する発電機と、交流電力により駆動される電気負荷とを電気的に接続する接続部を有し、
前記接続部は、
入力された交流電力を別の特性の交流電力に変換するＡＣ／ＡＣ変換部を有する、
車両用電源装置。
【請求項２】
前記ＡＣ／ＡＣ変換部の入力側には、入力される交流電力に含まれるリップル成分を除去するリップル成分除去部が設けられている、
請求項１記載の車両用電源装置。
【請求項３】
前記ＡＣ／ＡＣ変換部の出力側に接続され、直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換部、
をさらに有する請求項１記載の車両用電源装置。
【請求項４】
前記ＡＣ／ＡＣ変換部の入力側には、入力される交流電力の電圧を大きくする電圧変換部が設けられている、
請求項１記載の車両用電源装置。
【請求項５】
前記ＡＣ／ＡＣ変換部の出力側には、出力された交流電力の電圧を大きくする電圧変換部が設けられている、
請求項１記載の車両用電源装置。
【請求項６】
前記ＡＣ／ＡＣ変換部は、
スイッチング動作により交流電力の変換を行うスイッチング部と、
前記発電機の回転角情報を入力する入力部と、
入力された回転角情報を用いて、前記発電機から出力された交流電力の位相情報を特定する特定部と、
特定された位相情報を用いて、目標とする電圧、周波数、および位相の交流電力が出力されるよう、前記スイッチング部のスイッチング動作を制御する制御部と、
を有する請求項１記載の車両用電源装置。
【請求項７】
前記ＡＣ／ＡＣ変換部は、マトリックスコンバータである、
請求項１から請求項６のいずれかに記載の車両用電源装置。
【請求項８】
前記電気負荷は、車室内空調用コンプレッサの駆動モータである、
請求項１から請求項６のいずれかに記載の車両用電源装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれかに記載の車両用電源装置を有する電気自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車などの車両に用いられる車両用電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境保護の観点からハイブリッドカーおよび電気自動車が注目されており、その開発が急速に進められている。これらの自動車は、二次電池を有する電源からの直流電力を交流電力に変換して、交流電力によりモータを駆動することによって、駆動輪の駆動力を得る構成を有する。なお、ハイブリッドカーは、エンジンと電動機とを共用する電気自動車であり、広義では電気自動車の一種である。したがって、本明細書では、便宜上、特に断らない限り、「電気自動車」という用語を、ハイブリッドカーを含む広義の意味で使用する。
【０００３】
上記構成を動力源として有する電気自動車に用いられる従来の車両用電源装置として、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１には、電気自動車において、発電機から電気負荷に交流電力を供給する場合において、例えば、三相交流を任意の三相交流に変換する場合に、コンバータ（ＡＣ／ＤＣ変換）を用いて交流から直流に変換し、そして、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いて直流電圧を変更した後、インバータ（ＤＣ／ＡＣ変換）を用いて直流から任意の三相交流に再び変換する構成が開示されている。
【特許文献１】特開２０００−５９９１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記した従来の車両用電源装置にあっては、交流を任意の交流に変換する場合、多段階の変換を行うため、変換時に損失が発生し、変換効率が低下するという問題がある。また、ＤＣ／ＤＣコンバータに平滑コンデンサを用いるため、小型化・長寿命化の点でも問題がある。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、小型化・長寿命化を図りつつ、発電機から電気負荷への電力供給を効率的に行うことができる車両用電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の車両用電源装置は、交流電力を発電する発電機と、交流電力により駆動される電気負荷とを電気的に接続する接続部を有し、前記接続部は、入力された交流電力を別の特性の交流電力に変換するＡＣ／ＡＣ変換部を有する、構成を採る。好ましくは、ＡＣ／ＡＣ変換部は、マトリックスコンバータである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、小型化・長寿命化を図りつつ、発電機から電気負荷への電力供給を効率的に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【０００９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態に係る車両用電源装置を含む電源システムの基本構成を示すブロック図である。
【００１０】
図１に示す電源システム１００は、マトリクスコンバータ１１０、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２０、電源１３０、バッテリセンサ１３２、ＥＣＵ（Electronic Control Unit：エンジンコントロールユニット）１４０、発電機１７０、および車載の電気負荷１８０を有する。上記構成要素のうち、マトリクスコンバータ１１０、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２０、電源１３０、バッテリセンサ１３２、およびＥＣＵ１４０は、電源装置を構成する。
【００１１】
発電機１７０は、モータ（例えば、三相モータ）を有する。このモータは、典型的にはモータジェネレータにおけるモータであり、車両のエンジン始動時に作動するスタータとしての機能と、車両の減速時または制動時に駆動輪から伝達された動力によって回転して運動エネルギーを電気エネルギ（回生エネルギ）に変換する発電機としての機能と、を兼備している。このエネルギー変換により生成された交流電力は、マトリクスコンバータ１１０およびＡＣ／ＤＣコンバータ１２０に供給される。例えば、発電機１７０が三相モータの場合は、三相交流ＵＧ、ＶＧ、ＷＧが出力される。
【００１２】
発電機１７０（例えば、三相モータ）の回転角θＧは、発電機１７０に取り付けられた回転角センサ１７２によって検出される。
【００１３】
車載の電気負荷１８０は、例えば、車室内空調用のコンプレッサを駆動するためのモータ（例えば、三相モータ）である。すなわち、このコンプレッサは、モータ駆動型のコンプレッサ（つまり、電動コンプレッサ）である。したがって、このコンプレッサは、インバータ制御およびこまめなオンオフ制御が可能となり、エンジン駆動型のコンプレッサに比べて大幅なエネルギ効率化を実現することができる。例えば、電気負荷１８０が三相モータの場合は、三相交流ＵＤ、ＶＤ、ＷＤが入力される。
【００１４】
電気負荷１８０（例えば、三相モータ）の回転角θＤは、電気負荷１８０に取り付けられた回転角センサ１８２によって検出される。
【００１５】
電源１３０は、充放電が可能な二次電池を有する。車両制動時に回生エネルギーとして回収する回生システムでは、図示しない従来システムに用いられていた電源に加えてもう１つ電源が設けられている。従来システムに相当する電源を主電源と、他方を副電源とそれぞれ呼ぶこととする。通常、主電源は、エンジン始動時に必要となる負荷耐性や連続充電への耐性などがある二次電池（例えば、Ｐｂ系電池）のセルユニットを含み、副電源は、時間変動性が激しい回生エネルギーを効率的に回収するため、主電源に比べて充放電特性が優れたタイプの二次電池（例えば、Ｎｉ系電池やＬｉ系電池、コンデンサなど）のセルユニットを含む。電源１３０は、副電源に相当する。すなわち、電源１３０は、回生エネルギーを効率的に回収して電気負荷１８０に電力を供給するため、充放電特性が優れたタイプの二次電池であることが好ましい。
【００１６】
なお、電源１３０は、単一のセルユニットから構成されていてもよいし、複数のセルユニットを直列接続することにより構成されていてもよい。
【００１７】
また、電源１３０に蓄えられた電力は、駆動輪の駆動に用いられない場合、電源１３０の容量を低減させ、サイズを小型化することができる。
【００１８】
マトリクスコンバータ１１０の入力端子は発電機１７０に接続され、マトリクスコンバータ１１０の出力端子は電気負荷１８０に接続されている。マトリクスコンバータ１１０は、ＡＣ／ＡＣ変換部として、入力された交流電力を別の特性（電圧、周波数、位相）の交流電力に変換する。すなわち、マトリクスコンバータ１１０は、電源電圧を直接ＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御して、任意の電圧・周波数・位相を出力する直接変換型電力変換装置であり、交流を所望の交流に直接変換する機能を有する。マトリクスコンバータ１１０により所望の交流に変換された交流電力は、電気負荷１８０に供給される。また、後述するように、マトリクスコンバータ１１０は、ＥＣＵ１４０からの制御信号を受信するよう構成され、この制御信号に従って動作する。
【００１９】
本発明の１つの特徴は、交流電源から交流負荷へ電力供給する電力変換システムの一適用例として、図１に示すように、マトリクスコンバータ１１０を介して発電機１７０に直接電気負荷１８０を接続する構成を採る点にある。これにより、発電機→コンバータ（ＡＣ／ＤＣ変換）→ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧変更）→インバータ（ＤＣ／ＡＣ変換）→電気負荷であった従来の構成が、発電機→マトリクスコンバータ→電気負荷という構成になり、多段階の電力変換による効率低下を抑制することができる。また、発電機と電気負荷を直結すると、電気負荷の回転数が発電機の生成周波数と同期してしまう。発電機による起電力の周波数は車両速度に比例しており、この起電力を車両駆動に用いる場合には、出力周波数と起電力の周波数に相関があるため、一定の係数を乗ずることにより対応可能である。一方、制動時に運動エネルギーを回収するような回生システムにおいて、回生エネルギーは車両の移動速度が変化する中で得られる電力であり、このエネルギーを効率的に回収・変換・供給するためには、供給電力の周波数が大きく変化することを前提に設計される必要がある。さらに、車両速度と異なる制御に基づいて電気負荷を駆動する場合（例えば、車両空調システムのコンプレッサ駆動など）は、制御信号に基づく周期の電力を供給する必要があり、マトリクスコンバータ１１０を介在させ、入力電力の周波数が変化することを前提に、要求される出力周波数を安定して制御・出力することにより、この要求も満たすことができる。
【００２０】
ＡＣ／ＤＣコンバータ１２０の入力端子は発電機１７０に接続され、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２０の出力端子は電源１３０に接続されている。ＡＣ／ＤＣコンバータ１２０は、発電機１７０から供給された交流電力から直流電力を電気的に生成する。ＡＣ／ＤＣコンバータ１２０により生成された直流電力は、電源１３０に供給される。これにより、電源１３０が充電される。また、後述するように、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２０は、ＥＣＵ１４０からの制御信号を受信するよう構成され、この制御信号に従って動作する。
【００２１】
バッテリセンサ１３２は、電源１３０のバッテリ状態（例えば、充電電圧や充放電電流、温度など）を検出し、検出したバッテリ状態を示す通知信号をＥＣＵ１４０に送信する。
【００２２】
ＥＣＵ１４０は、各種の通知信号、例えば、発電機１７０の発電状態を示す通知信号や、電源１３０のバッテリ状態を示す通知信号、負荷出力を示す通知信号、電気負荷１８０の回転角θＤを示す通知信号などに基づいて、マトリクスコンバータ１１０およびＡＣ／ＤＣコンバータ１２０を制御するための制御信号をそれぞれ生成し、生成した制御信号をマトリクスコンバータ１１０およびＡＣ／ＤＣコンバータ１２０にそれぞれ送信することにより、マトリクスコンバータ１１０およびＡＣ／ＤＣコンバータ１２０の動作をそれぞれ制御する。
【００２３】
なお、発電状態を示す通知信号は、発電の有無のみを示すものであってもよいし、起電力の大きさを示すものであってもよい。
【００２４】
また、通知信号に示される負荷出力は、電気負荷１８０の駆動を制御するための目標値、例えば、空調用電動コンプレッサの場合は、コンプレッサ駆動モータへの供給電力（例えば、ＶＶ−ＶＦ制御の場合、駆動電圧と周波数）の目標値である。ここで、ＶＶ−ＶＦ（Variable Voltage - Variable Frequency）制御とは、回転数と同時に駆動電圧を操作する制御のことである。
【００２５】
図２は、図１に示す電源システム１００の要部の構成の一例を示すブロック図である。特に、図２は、図１に示すマトリクスコンバータ１１０の構成の一例を示している。
【００２６】
図２に示すマトリクスコンバータ１１０は、いわゆるダイレクト型と呼ばれるタイプであり、入力三相と出力三相を、直接、高速スイッチングが可能な半導体素子を用いた双方向スイッチ群１１２（スイッチング部）により接続して構成されている。すなわち、ダイレクト型のマトリクスコンバータ１１０は、三相交流入力源と三相交流出力源を９個の双方向スイッチＳ１〜Ｓ９によりすべて接続するように構成されている。各スイッチＳ１〜Ｓ９は、高速にＰＷＭによりオンオフされる。例えば、１つの相に注目すれば、三相交流ＵＧ、ＶＧ、ＷＧの各相Ｕ、Ｖ、Ｗから、各スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３を適時切り替えて、Ｕ相端子に所望の交流電力を出力する。これにより、三相交流から任意の三相交流への直接変換が実現される。
【００２７】
双方向スイッチ群１１２を構成する各スイッチＳ１〜Ｓ９のスイッチング動作は、制御部１１４によって制御される。具体的には、制御部１１４は、発電機１７０（例えば、三相モータ）の回転角θＧ、電気負荷１８０（例えば、三相モータ）の回転角θＤ、ならびに出力電圧および出力周波数の目標値に基づいて、各スイッチＳ１〜Ｓ９のスイッチング動作を制御する。
【００２８】
マトリクスコンバータ１１０の入力側には、ＰＷＭスイッチングのリップル成分を除去するため、リップル成分除去部としてのＬＣフィルタ１５０が設けられている。
【００２９】
以上の構成が、本発明の基本形である。
【００３０】
図３は、図１に示す電源システム１００にインバータを追加した構成を示すブロック図である。なお、図３において、図１と同じ構成要素には同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００３１】
図３に示す電源システム１００ａは、図１に示す構成要素に加えて、インバータ１６０をさらに有する。インバータ１６０もまた電源装置を構成する。
【００３２】
インバータ１６０の入力端子は電源１３０に接続され、インバータ１６０の出力端子は電気負荷１８０に接続されている。インバータ１６０は、ＤＣ／ＡＣ変換部として、電源１３０から供給された直流電力から交流電力を電気的に生成する。具体的には、例えば、インバータ１６０は、６個のスイッチング素子を用いた三相出力インバータであり、ＰＷＭ方式による電圧・周波数・位相可変制御が行われる。これにより、インバータ１６０から三相交流Ｕ’Ｄ、Ｖ’Ｄ、Ｗ’Ｄが出力される。インバータ１６０により生成された交流電力は、電気負荷１８０に供給される。
【００３３】
また、インバータ１６０は、ＥＣＵ１４０からの制御信号を受信するよう構成され、この制御信号に従って動作する。また、インバータ１６０には、電気負荷１８０の回転角θＤを示す通知信号も入力される。
【００３４】
すなわち、この場合、ＥＣＵ１４０は、各種の通知信号（例えば、発電機１７０の発電状態を示す通知信号や、電源１３０のバッテリ状態を示す通知信号、負荷出力を示す通知信号、電気負荷１８０の回転角θＤを示す通知信号など）に基づいて、マトリクスコンバータ１１０、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２０、およびインバータ１６０を制御するための制御信号をそれぞれ生成し、生成した制御信号をマトリクスコンバータ１１０、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２０、およびインバータ１６０にそれぞれ送信することにより、マトリクスコンバータ１１０、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２０、およびインバータ１６０の動作をそれぞれ制御する。
【００３５】
これにより、図３に示す電源システム１００ａでは、電気負荷１８０への交流電力の供給は、マトリクスコンバータ１１０を介して直接発電機１７０から、または、インバータ１６０を介して電源１３０から、行われる。
【００３６】
次に、図３に示す電源システム１００ａの動作について、図４を用いて説明する。図４は、図３に示す電源システム１００ａの一適用例を示すブロック図である。ここでは、電気負荷１８０がコンプレッサ駆動モータ１８４である場合を例にとって説明する。
【００３７】
ＥＣＵ１４０は、マトリクスコンバータ１１０、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２０、およびインバータ１６０を、例えば、下記のように動作させる制御信号を生成し、生成した制御信号をマトリクスコンバータ１１０、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２０、およびインバータ１６０にそれぞれ送信する。
【００３８】
マトリクスコンバータ１１０およびインバータ１６０は、コンプレッサ駆動モータ１８４を駆動する必要があるときに駆動される。マトリクスコンバータ１１０により所望の交流電力に変換される交流電力は、発電機１７０から出力される。また、インバータ１６０により所望の交流電力に変換される直流電力は、電源１３０から出力される直流電力である。
【００３９】
発電機１７０により発電された電力によってコンプレッサ駆動モータ１８４を駆動する場合には、マトリクスコンバータ１１０が駆動される。マトリクスコンバータ１１０は、発電機１７０から出力された交流電力を所望の交流電力に変換してコンプレッサ駆動モータ１８４に供給する。このとき、マトリクスコンバータ１１０は、コンプレッサ駆動モータ１８４に供給される交流電力が最適値となるよう、内部のスイッチング動作を制御する。
【００４０】
具体的には、例えば、マトリクスコンバータ１１０は、回転角センサ１７２から発電機１７０の回転角情報θＧを入力し、入力した回転角情報θＧを用いて、発電機１７０から出力された交流電力の位相情報を特定する。そして、マトリクスコンバータ１１０は、特定した位相情報を用いて、目標とする電圧・周波数・位相の交流電力が出力されるよう、スイッチング部（例えば、図２の双方向スイッチ群１１２を構成する各スイッチＳ１〜Ｓ９）のスイッチング動作を制御する。
【００４１】
一方、電源１３０から放電された電力によってコンプレッサ駆動モータ１８４を駆動する場合には、インバータ１６０が駆動される。インバータ１６０は、電源１３０から出力された直流電力を所望の交流電力に変換してコンプレッサ駆動モータ１８４に供給する。このとき、インバータ１６０の出力とマトリクスコンバータ１１０の出力との電力合成を効率的に行うためには、両者の周波数・位相・電圧を一致させる必要があり、コンプレッサ駆動モータ１８４の回転角θＤやマトリクスコンバータからのスイッチ制御情報などを用いて位相制御を行う。このとき、インバータ１６０は、コンプレッサ駆動モータ１８４に供給される交流電力が最適値となるよう、内部のスイッチング動作を制御する。例えば、インバータ１６０は、コンプレッサ駆動モータ１８４の電力線の位相に合わせて三相交流Ｕ’Ｄ、Ｖ’Ｄ、Ｗ’Ｄを生成する。
【００４２】
なお、発電機１７０からコンプレッサ駆動モータ１８４への電力供給と電源１３０からコンプレッサ駆動モータ１８４への電力供給とは、別々にも同時にも行うことができる。特に、これらの電力供給の同時実行は、コンプレッサ駆動モータ１８４が停止状態から起動状態となり突入電流が大きくなった場合に負荷を分散させることができる点で、有利である。これらの電力供給を別々に行うか同時に行うか、また、同時に行う場合はどのように電力を配分するかについては、例えば、発電機１７０の発電状態や電源１３０の充電状態などに基づいて決定することができる。
【００４３】
上記動作およびそれに伴う上記効果は、特に、マトリクスコンバータ１１０、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２０、およびインバータ１６０のデルタ（Δ）構造によって実現される。
【００４４】
具体的には、発電機１７０と電気負荷１８０（コンプレッサ駆動モータ１８４）とを電気的に接続する基幹系の接続部には、マトリクスコンバータ１１０が設けられている。また、発電機１７０と電源１３０とを電気的に接続する充電系の接続部には、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２０が設けられている。また、電源１３０と電気負荷１８０（コンプレッサ駆動モータ１８４）とを電気的に接続する放電系の接続部には、インバータ１６０が設けられている。
【００４５】
図５は、図４に示す電源システム１００ａの一変更例を示すブロック図であり、商用電源からの電力供給により電源１３０や車内の電気負荷１８０などを駆動可能とする場合を示している。なお、図５において、図４と同じ構成要素には同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００４６】
図５に示す電源システム１００ｂは、図４に示す構成要素に加えて、一般の商用電源（例えば、１００Ｖ電源）に接続される電源プラグ１９０と、ＰＦＣ（Power Factor Correction）ヒューズスイッチ１９２とをさらに有する。
【００４７】
ＰＦＣヒューズスイッチ１９２は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２０およびＥＣＵ１４０にそれぞれ接続されている。ＰＦＣヒューズスイッチ１９２は、過電流を自動的に遮断するヒューズと、電力供給を検知するセンサと、電源線を遮断するスイッチとを備え、商用電源から電力供給があるとＥＣＵ１４０に給電情報を送り、ＥＣＵ１４０の充電スイッチ制御信号に応じて、電源線に接続されたスイッチの閉開操作を行う。ＰＦＣは、入力された電源の力率改善を行う。商用電源と車両搭載システムとを絶縁する場合、ＰＦＣヒューズスイッチ１９２とＡＣ／ＤＣコンバータ１２０のいずれかに絶縁トランスを挿入するが、ＰＦＣヒューズスイッチ１９２内に別途設けられたマトリクスコンバータにより絶縁トランスに供給する電力周波数を上げることによって、絶縁トランスの効率が向上する。なお、商用電源から供給される交流は、発電機１７０から供給される三相交流の任意の１相に入れて、ＡＣ／ＤＣ変換を行う。
【００４８】
この構成では、乗車前の空調も可能となる。車外から給電され、この電力により乗車前空調を実施することを前提とすると、コンプレッサ駆動モータ１８４への電力供給経路は、商用電源→ＡＣ／ＤＣコンバータ１２０→電源１３０→インバータ１６０→コンプレッサ駆動モータ１８４と、商用電源→ＡＣ／ＤＣコンバータ１２０→マトリクスコンバータ１１０→コンプレッサ駆動モータ１８４とになる。この場合、いずれかの経路一方のみを選択的に実施する方法、または、同時に行う方法が可能である。
【００４９】
図６は、図３に示す電源システムに電力変換器を追加した構成を示すブロック図である。なお、図６において、図３と同じ構成要素には同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００５０】
マトリクスコンバータ１１０は、上記のように、交流を別の特性（電圧、周波数、位相）の交流に変換するモジュールである。電気負荷１８０（例えば、コンプレッサ駆動モータ１８４）を動作させるときには、交流を所望の電圧・周波数・位相に変換する必要がある。しかし、マトリクスコンバータ１１０は、そのときの入力の電圧・周波数・位相が分かっていないと、正確に変換することができない。一方、発電機１７０は、図７に示すように、ロータの回転数によって、起電力の電圧・周波数が変化するという特徴を有する。図７（Ａ）は、電動機１７０の回転数がｘの場合であり、図７（Ｂ）は、電動機１７０の回転数がｙの場合である（ｘ≠ｙ）。
【００５１】
このような電圧および周波数が変化する信号について、その電圧および周波数を測定することは困難である。そこで、ロータの回転角をセンサ１７２により読み取った値をマトリクスコンバータ１１０に入力することによって、より正確な回転角（位相・周波数）と、その残渣から電圧とを読み取ることが可能になる。こうして推定した値に基づいて、電気負荷１８０に供給される交流の電圧・周波数・位相が制御される。
【００５２】
すなわち、発電機１７０は、ロータの回転数によって、起電力の電圧・周波数が変化するため、発電機１７０を直接電気負荷１８０（例えば、コンプレッサ駆動モータ１８４）に接続すると、電気負荷１８０は所望の動作を得ることができない。そこで、発電機１７０から出力された交流を所望の電圧・周波数・位相に変換するマトリクスコンバータ１１０を介して、発電機１７０と電気負荷１８０を接続することによって、電気負荷１８０の出力を自由に設定することが可能になる。
【００５３】
しかし、マトリクスコンバータ１１０は、入力電圧をＰＷＭ制御により変換するため、電圧を下げる（降圧）機能しか持たない。
【００５４】
そこで、図６に示す電源システム１００ｃでは、マトリクスコンバータ１１０の入力側に、入力される交流電力の電圧を大きくする電圧変換（昇圧）部としての電力変換器１５５が設けられている。
【００５５】
図８は、電力変換器１５５の作用を説明するための図である。図８（Ａ）は、電動機１７０の回転数がｘの場合であり、図８（Ｂ）は、電動機１７０の回転数がｙの場合であり（ｘ≠ｙ）、図７（Ａ）および図７（Ｂ）にそれぞれ対応している。図８に示すように、電力変換器１５５によって、発電機１７０の出力は、電圧のみが大きくなっている（昇圧）。
【００５６】
なお、ここで、マトリクスコンバータ１１０の他の構成例について説明しておく。
【００５７】
図９は、図１に示すマトリクスコンバータ１１０の構成の他の例を示す図である。
【００５８】
図９に示すマトリクスコンバータ１１０は、いわゆるインダイレクト型と呼ばれるタイプのものである。インダイレクト型マトリクスコンバータは、実質的に、ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換（真中のＤＣは「仮想ＤＣ」と呼ばれる）を行っており、ＰＷＭ整流器＋ＰＷＭインバータの構成を有する。このインダイレクト型マトリクスコンバータでは、図２に示すダイレクト型マトリクスコンバータのスイッチＳ１〜Ｓ９の動作が、インダイレクト型マトリクスコンバータのＡＣ／ＤＣ変換に相当するスイッチＳＧ１、ＳＧ’１と、ＤＣ／ＡＣ変換に相当するＳＤ１、ＳＤ’１とから求められる。記号「’」が付く符号は、ＤＣの電位が低い側のスイッチを意味する。図２に示すダイレクト型マトリクスコンバータと図９に示すインダイレクト型マトリクスコンバータとの関係は、図１０に示す式によって与えられる。
【００５９】
インダイレクト型マトリクスコンバータの特徴は、入力交流電力をＰＷＭ整流して仮想ＤＣを生成することにある。このため、この仮想ＤＣに対して電源１３０から直流電力を直接供給することができる。この場合は、インバータを挿入する必要がなくなる。また、仮想ＤＣにて電力変換（昇圧または降圧）を行うことにより、３線に対する電力変換（昇圧または高圧）を行うよりも簡易に電力変換（昇圧または降圧）を実現することができる。また、３線に対する電力変換では、線間でバラツキが発生しうるが、仮想ＤＣでは、電力変換におけるバラツキが本質的に発生しない。さらに、仮想ＤＣにおける電源１３０からの給電は、インバータ１６０の動作説明で触れたように三相交流が有する電圧・周波数・位相の要素について同期が必要である旨説明したが、周波数・位相における同期は不要であるといった特徴も有する。一方、ダイレクト型マトリクスコンバータでは、三相交流から三相交流へ直接変換するためのスイッチを９箇所に留めることができ、また、直接変換による効率向上が見込まれる。
【００６０】
図１１は、インダイレクト型マトリクスコンバータのスイッチング動作を説明するための図である。
【００６１】
図１１において、スイッチング動作は、いずれもインダイレクト型マトリクスコンバータの１相について着目したものである。ＡＣ／ＤＣ変換は、３相ある電力線の中で最も電位が高い電力線と最も電位が低い電力線を選択して仮想ＤＣ線の高電位側と低電位側にそれぞれ接続するものである。２つの電力線の電位が交差する時間において、一方の電力線を選択することも可能であるし、両電力線から電力供給を受けるように接続すると効率を高めることが可能である。この場合は、スイッチのオンオフにより徐々に選択する電力線を移行させることになる。これが、図１１（Ａ）において、ＳＧ１、ＳＧ’１のスイッチング動作に濃淡が見え、かつ、電力が０Ｖ付近になる（他の電力線が高電位・低電位に接続されている）一定期間はスイッチがオフの状態が存在する理由である。同様に、ＤＣ／ＡＣ変換（図１１（Ｂ））では、仮想ＤＣの高電位と低電位とをＰＷＭ変調することにより波形を作り出しており、出力電位が０Ｖ（三相交流における仮想グランド電位に相当）を交差する前後は、ＳＤ１、ＳＤ’１のスイッチング動作の切り替えが濃く（切り替えが激しく）、電位が高く（低く）なるにつれ淡く（切り替えが少なく）なる。
【００６２】
図９に示す構成と図１０に示す式とを対比させて、さらに詳細に説明する。
【００６３】
ＳＧｘとＳＧ’ｘのスイッチ群は、入力側の周波数（「ｆｉｎ」と表記する）を直流に周波数シフトさせる機能を有し、ＳＤｘとＳＤ’ｘのスイッチ群は、仮想ＤＣの電力を出力側の周波数（「ｆｏｕｔ」と表記する）に周波数シフトさせる機能を有していることになる。
【００６４】
まず、ＳＧｘ／ＳＧ’ｘで構成されたスイッチ群の制御に注目すると、簡単に制御するためには、単に各相における電位を測定して電位の高低によりスイッチを切り替えるだけでも可能であり、この機能に限定した構成として、ダイオード整流器が知られている。この方式は、入力電力（発電機１７０による起電力）の周波数に関わらず簡単に制御できるといった特徴がある一方で、複数の電力線による電力合成を行わないために効率が限定されてしまう。他方、入力電力の周波数・位相に応じて、電力線の接続をＰＷＭ合成することにより最大効率での電力供給を可能とする。しかし、この方式では、入力電力の周波数と位相を特定（測定または推定）してそれに応じたスイッチ制御が行われる必要がある。しかし、前述のとおり発電機１７０の起電力特性のように回転数と電圧とが変化する信号において、周波数・位相を特定することは容易でない。そのため、発電機１７０に設置されたロータ回転角を、上記の周波数・位相を特定する補助情報とすることにより、簡単で正確にスイッチ群制御を行うことができ、高高率なＰＷＭ合成を実現することができる。
【００６５】
一方、ＳＤｘ／ＳＤ’ｘで構成されたスイッチ群の制御について注目する。このスイッチ群により制御される情報は、出力電力の周波数・位相・電圧である。これらは、ＥＣＵ１４０に与えられた負荷出力により導かれ、マトリクスコンバータ１１０の制御部１１４に入力された制御信号であるため、上記したＳＧｘ／ＳＧ’ｘの制御のように外部信号から測定・推定する情報は不要である。出力電力を効率的に送出するためには、電気負荷１８０の状態（例えば、駆動モータの回転数やロータ回転角）に合わせて位相・周波数制御することが重要であり、電気負荷１８０側から入力した回転角信号に応じて、ＳＤｘ／ＳＤ’ｘ切替を調整することにより、高効率な制御が可能になる。
【００６６】
以上、ＳＧｘ／ＳＧ’ｘ、ＳＤｘ／ＳＤ’ｘの制御について説明したが、ダイレクト型マトリクスコンバータのスイッチ群（Ｓ１〜Ｓ９）は、これら制御信号の行列積により求められる（図１０で与えられる式）。上記説明でも分かるとおり、Ｓ１〜Ｓ９には入力周波数（ｆｉｎ）成分と出力周波数（ｆｏｕｔ）成分との積で与えられることとなり、入力電力の周波数に関わらず、高効率に所望する周波数の出力電力を得るためには、入力周波数を得るためのセンサ情報を用いるか、入力電力から回転周波数を推定し、これらの情報を用いて、入力電力の周波数成分（ｆｉｎ）を除去し、負荷側の状況変化に対応しながら出力電力の周波数成分（ｆｏｕｔ）になるよう制御することが重要となる。
【００６７】
このように、本実施の形態によれば、発電機１７０と電気負荷１８０とをマトリクスコンバータ１１０を介して直接接続するため、従来の構成に比べて変換の段数を削減することができ、多段階の電力変換による変換損失を低減して効率低下を抑制することができる。すなわち、従来の構成に比べて、発電機から電気負荷への電力供給を効率的に行うことができる。
【００６８】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いないため、平滑コンデンサが不要となり、小型化・長寿命化を図ることができる。
【００６９】
（実施の形態２）
実施の形態２は、図６に示す電力変換器の位置を変更した場合である。
【００７０】
図１２は、本発明の実施の形態２に係る車両用電源装置を含む電源システムの構成を示すブロック図である。なお、この電源システム１００ｄは、図６に示す電源システム１００ｃと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００７１】
本実施の形態では、図６に示す実施の形態１では電力変換器１５５がマトリクスコンバータ１１０の入力側に設けられているのに対し、電力変換器１５５ａがマトリクスコンバータ１１０の出力側に設けられている。電力変換器１５５ａは、電圧変換（昇圧）部として、マトリクスコンバータ１１０から出力された交流電力の電圧を大きくする。
【００７２】
上記のように、マトリクスコンバータ１１０は、ＰＷＭ変換を行うため、降圧による制御は可能であるが、昇圧する機能はない。発電機１７０からの起電力電圧が低く、電気負荷１８０（例えば、コンプレッサ駆動モータ１８４）に要求される電圧が高い場合には、電力変換によって昇圧する必要がある。特に、効率的なモータ制御のためには、ＶＶ−ＶＦ（Variable Voltage - Variable Frequency）制御、つまり、回転数と同時に駆動電圧を操作する制御が重要である。したがって、これを実現するためには、電力変換が重要な存在である。
【００７３】
このように、本実施の形態によれば、電力変換器１５５ａを設けてマトリクスコンバータ１１０の出力電圧を制御するため、ＶＶ−ＶＦ制御を用いて電気負荷１８０の効率的な制御を行うことができる。
【００７４】
（実施の形態３）
実施の形態３は、インバータを用いて昇圧を行う場合である。
【００７５】
図１３は、本発明の実施の形態３に係る車両用電源装置を含む電源システムの要部の構成の一例を示すブロック図である。なお、この電源システム１００ｅは、図３に示す電源システム１００ａと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００７６】
本実施の形態では、電源１３０とインバータ１６０との間にＤＣ／ＤＣコンバータ１６５が接続されている。また、インバータ１６０およびＤＣ／ＤＣコンバータ１６５には、マトリクスコンバータ１１０内のスイッチングパラメータがそれぞれ与えられるように構成されている。
【００７７】
本構成によると、マトリクスコンバータ１１０の制御部１１４と、インバータ１６０の制御部とをひとつにすることができ、簡易で高精度なインバータ１６０の制御と、高効率な電源１３０電力と三相交流電力の合成とを可能にする。
【００７８】
以下、図１３を用いて詳細に説明を行う。
【００７９】
実施の形態１でも説明したが、Ｓ１〜Ｓ９は、ＳＧｘ、ＳＧ’ｘと、ＳＤｘ、ＳＤ’ｘとで構成される行列積によって求められる（図１０に示す式）。ここで、ＳＤｘ／ＳＤ’ｘは、仮想ＤＣを出力電力に変換するＰＷＭ合成のスイッチ制御群であり、その構成は、図１３に示すインバータ１６０と同一である。このことは、ＳＤｘ／ＳＤ’ｘをＳｉｘ／Ｓｉ’ｘに置き換えると、そもそもマトリクスコンバータ１１０が出力制御しようとしている周波数・位相とが合致することを示唆する。すなわち、図３に示すようにマトリクスコンバータ１１０とインバータ１６０とを別々に制御する場合、ＥＣＵ１４０から与えられた制御情報や、電気負荷１８０によりフィードバックされる情報などを元に、マトリクスコンバータ１１０とインバータ１６０とが連携するように電力変換する必要があったが、本構成を組むことにより、容易に高性能・高効率なシステムを構築することが可能となる。
【００８０】
上記説明では、マトリクスコンバータ１１０とインバータ１６０の周波数・位相を同期させる制御方法について説明したが、以下、電圧を制御する方法について説明する。
【００８１】
上記で説明したとおり、発電機１７０が生成する起電力の電圧は変化することが知られており、図１０に示す式のうち、ＳＧｘ／ＳＧ’ｘは、入力電力の周波数成分除去の機能と、図９に示す仮想ＤＣ電力の電圧を制御する機能とを含んでいる。そのため、マトリクスコンバータ１１０は、入力電力線の信号振幅や回転角センサの情報から、入力電力の電圧を算出し、この値に基づいて仮想ＤＣ電力の電圧を制御する（仮想ＤＣ成分の電圧が所望の電圧よりも低い場合、図６および図１２に示すように、電力変換により昇圧する必要がある）。
【００８２】
一般に、電源（例えば、二次電池）１３０の電圧は、電気負荷１８０（例えば、コンプレッサ駆動モータ１８４）に対して低いため、電源１３０に対して昇圧が必要である。この昇圧幅は、マトリクスコンバータ１１０がＳＧｘ／ＳＧ’ｘによって制御する仮想ＤＣ電力の電圧と同じになるよう、Ｓｃ１／Ｓｃ’１のスイッチング制御を行う。同時に、直流を交流に変換するため、周波数・位相・電圧を制御するが、周波数・位相は上記したとおり、また、電圧については、Ｓｃ１／Ｓｃ’１によるＤＣ／ＤＣコンバータ１６５制御と、Ｓｉｘ／Ｓｉ’ｘによるインバータ１６０制御（ＰＷＭ制御）とによって制御され、両者は、マトリクスコンバータ１１０の制御に用いるパラメータと同一であるため高精度に整合されることになる。
【００８３】
このように、インバータ１６０に内蔵されたトランジスタのスイッチングを、図１０の式に示した、行列のＳＤｘ（ｘ＝１，２，３）（入力電力をＡＣ／ＤＣ変換するスイッチングパラメータ）と、ＳＧｘ（ｘ＝１，２，３）（直流電力をＤＣ／ＡＣ変換するスイッチングパラメータ）とで制御することにより、ＳＧｘのスイッチングパラメータには、交流の周波数・位相・電圧を制御するための情報が入っているため、簡易にインバータ１６０の出力の周波数・位相・電圧を制御することが可能になる。
【００８４】
このように、本実施の形態によれば、インバータ１６０を用いて電気負荷１８０への供給電力を昇圧できるため、簡易な構成により、ＶＶ−ＶＦ制御を用いて電気負荷１８０の効率的な制御を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明に係る車両用電源装置は、小型化・長寿命化を図りつつ、発電機から電気負荷への電力供給を効率的に行うことができる車両用電源装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の実施の形態１に係る車両用電源装置を含む電源システムの基本構成を示すブロック図
【図２】図１に示す電源システムの要部の構成の一例を示すブロック図
【図３】図１に示す電源システムにインバータを追加した構成を示すブロック図
【図４】図３に示す電源システムの一適用例を示すブロック図
【図５】図４に示す電源システムの一変更例を示すブロック図
【図６】図３に示す電源システムに電力変換器を追加した構成を示すブロック図
【図７】発電機の回転数と起電力の電圧・周波数との関係を示す図
【図８】図６に示す電力変換器の作用を説明するための図
【図９】図１に示すマトリクスコンバータの構成の他の例を示す図
【図１０】図２に示すダイレクト型マトリクスコンバータと図９に示すインダイレクト型マトリクスコンバータとの関係を規定する式を示す図
【図１１】図９に示すインダイレクト型マトリクスコンバータのスイッチング動作を説明するための図
【図１２】本発明の実施の形態２に係る車両用電源装置を含む電源システムの構成を示すブロック図
【図１３】本発明の実施の形態３に係る車両用電源装置を含む電源システムの要部の構成の一例を示すブロック図
【符号の説明】
【００８７】
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ  電源システム
１１０  マトリクスコンバータ
１２０  ＡＣ／ＤＣコンバータ
１３０  電源
１３２  バッテリセンサ
１４０  エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１５０  ＬＣフィルタ
１５５、１５５ａ  電力変換器
１６０  インバータ
１６５  ＤＣ／ＤＣコンバータ
１７０  発電機
１７２、１８２  回転角センサ
１８０  電気負荷
１８４  コンプレッサ駆動モータ
１９０  電源プラグ
１９２  ＰＦＣヒューズスイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010206880.tif 000011
【図１０】
2010206880.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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