(57)【要約】【課題】  複数の直流電源および多相交流機器の間で相互に電力の変換を行なうマトリックスコンバータを用いた電力変換装置を提供する。【解決手段】  直流電源の燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴ、ならびに交流機器のモータジェネレータＭＧの間で電力変換を行なう電力変換部１０および接続部２０は、マトリックスコンバータで構成される。直流電源の高電圧化が必要なパワーフローパターンのとき、接続部２０におけるスイッチＳＣｄは、制御装置３０からの制御信号に応じて電源ラインＬＣを電源ラインＬｄと電気的に接続し、これによって、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴが直列に接続される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｍ個（ｍは２以上の自然数）の直流電源およびｎ相（ｎは２以上の自然数）交流機器に接続されるマトリックスコンバータと、
前記マトリックスコンバータの動作を制御する制御装置とを備え、
前記マトリックスコンバータは、
前記制御装置からの制御信号に応じて、前記ｍ個の直流電源と前記ｎ相交流機器との間で相互に電力変換を行なう電力変換部と、
前記制御装置からの制御信号に応じて、前記ｍ個の直流電源のうちｉ個（ｉは２以上ｍ以下の自然数）の直流電源を直列に接続する接続部とを含み、
前記電力変換部は、前記ｍ個の直流電源の各々から出力される直流電力もしくは前記接続部によって直列接続された前記ｉ個の直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換して前記ｎ相交流機器へ出力し、または前記ｎ相交流機器から出力される交流電力を直流電力に変換して前記ｍ個の直流電源のいずれかへ出力する、電力変換装置。
【請求項２】
前記電力変換部は、前記制御装置からの制御信号に応じて、前記ｍ個の直流電源間における電力の授受をさらに行なう、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記マトリックスコンバータは、
前記ｍ個の直流電源に対応して設けられ、前記ｍ個の直流電源におけるｍ対の正極端子および負極端子にそれぞれ接続される２×ｍ本の第１の電源ラインと、
前記ｎ相交流機器におけるｎ個の入出力端子にそれぞれ接続されるｎ本の第２の電源ラインとをさらに含み、
前記電力変換部は、前記２×ｍ本の第１の電源ラインと前記ｎ本の第２の電源ラインとの間にそれぞれ設けられる２×ｍ×ｎ個の双方向スイッチからなる、請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記接続部は、前記２×ｍ本の第１の電源ラインを互いに電気的に接続可能な複数個のスイッチを含む第１のスイッチ群からなる、請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記接続部は、前記第１のスイッチ群から、前記ｍ個の直流電源にそれぞれ接続されるｍ対の第１の電源ラインの各々を短絡可能なｍ個のスイッチが削除された第２のスイッチ群からなる、請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記接続部は、前記第２のスイッチ群から、直列に順接続される複数の直流電源の接続順をランダムとすることによってスイッチがさらに削減された第３のスイッチ群からなる、請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記接続部は、前記第３のスイッチ群から、直列に逆接続される複数の直流電源の接続順をランダムとすることによってスイッチがさらに削減された第４のスイッチ群からなる、請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記接続部は、前記第３のスイッチ群から、複数の直流電源を直列に逆接続するためのスイッチがさらに削減された第４のスイッチ群からなる、請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記電力変換部が前記ｎ相交流機器から出力される交流電力を直流電力に変換して前記ｍ個の直流電源のいずれかへ出力するとき、前記接続部に含まれるスイッチは、全てオフされる、請求項４から請求項８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記電力変換部は、前記正極端子および前記負極端子から充電不可能なｊ個（ｊはｍより小さい自然数）の直流電源に接続される２×ｊ本の第１の電源ラインと前記ｎ本の第２の電源ラインとの間にそれぞれ設けられる２×ｊ×ｎ個の双方向スイッチに代えて、それぞれ２×ｊ×ｎ個の片方向スイッチからなる、請求項３から請求項９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記ｍ個の直流電源は、
燃料電池と、
二次電池とを含み、
前記ｎ相交流機器は、３相交流回転電機からなり、
前記電力変換部は、
前記燃料電池の正極端子および負極端子にそれぞれ接続される１対の第１の電源ラインと前記３相交流回転電機の各相コイルにそれぞれ接続される３本の第２の電源ラインとの間に設けられる６個の片方向スイッチと、
前記二次電池の正極端子および負極端子にそれぞれ接続されるもう１対の第１の電源ラインと前記３本の第２の電源ラインとの間に設けられる６個の双方向スイッチとからなり、
前記接続部は、前記燃料電池の負極端子に接続される前記１対の第１の電源ラインの一方と前記二次電池の正極端子に接続される前記もう１対の第１の電源ラインの一方との間、または前記燃料電池の正極端子に接続される前記１対の第１の電源ラインの他方と前記二次電池の負極端子に接続される前記もう１対の第１の電源ラインの他方との間に設けられる片方向スイッチからなる、請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記ｍ個の直流電源に対応して設けられ、対応する直流電源に接続される１対の第１の電源ライン間に各々が接続されるｍ個のコンデンサをさらに備える、請求項３から請求項１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
前記３相交流回転電機から前記電力変換部へ交流電力が出力される回生動作において、前記３相交流回転電機の最大起電圧が前記二次電池の端子間電圧以上のとき、
前記制御装置は、回転速度を低減するように前記３相交流回転電機へ制御指令をさらに出力し、
前記３相交流回転電機は、前記制御指令に応じて、機械ブレーキを用いて回転速度を低減し、
前記電力変換部は、前記３相交流回転電機の回転速度が低減した後、前記ｎ相交流機器から出力される交流電力を直流電力に変換して前記ｍ個の直流電源のいずれかへ出力する、請求項１１または請求項１２に記載の電力変換装置。
【請求項１４】
前記制御装置は、前記最大起電圧が前記端子間電圧よりも低くなるように前記３相交流回転電機の回転速度を低減させる、請求項１３に記載の電力変換装置。
【請求項１５】
前記３相交流回転電機から前記電力変換部へ交流電力が出力される回生動作において、前記３相交流回転電機の最大起電圧が前記二次電池の端子間電圧以上のとき、
前記制御装置は、前記３相交流回転電機の界磁を弱めるように前記マトリックスコンバータの動作をさらに制御し、
前記電力変換部は、前記３相交流回転電機の界磁が弱められた後、前記ｎ相交流機器から出力される交流電力を直流電力に変換して前記ｍ個の直流電源のいずれかへ出力する、請求項１１または請求項１２に記載の電力変換装置。
【請求項１６】
前記制御装置は、前記３相交流回転電機の界磁を弱めることによって前記最大起電圧が前記端子間電圧よりも低くなるように前記マトリックスコンバータの動作を制御する、請求項１５に記載の電力変換装置。
【請求項１７】
前記制御装置は、前記３相交流回転電機に対して前記界磁を弱める方向のｄ軸電流が発生するように前記マトリックスコンバータの動作を制御する、請求項１５または請求項１６に記載の電力変換装置。
【請求項１８】
前記制御装置は、前記接続部における前記片方向スイッチをオンする、請求項１７に記載の電力変換装置。
【請求項１９】
ｍ個（ｍは２以上の自然数）の直流電源と、
ｎ相（ｎは２以上の自然数）交流回転電機と、
前記ｍ個の直流電源と前記ｎ相交流回転電機との間に設けられる請求項１から請求項１８のいずれか１項に記載の電力変換装置とを備える車両。
【請求項２０】
前記ｍ個の直流電源は、
少なくとも１つの燃料電池と、
少なくとも１つの二次電池とを含む、請求項１９に記載の車両。
【請求項２１】
前記マトリックスコンバータは、前記ｎ相交流回転電機に供給する電力レベルに応じて前記ｍ個の直流電源のうちｉ個（ｉはｍ以下の自然数）の直流電源を直列に接続し、その直列接続された前記ｉ個の直流電源によって生成される直流電力をｎ相交流電力に変換して前記ｎ相交流回転電機に供給する、請求項１９または請求項２０に記載の車両。
【請求項２２】
前記マトリックスコンバータは、前記ｎ相交流回転電機の回生動作時、前記ｎ相交流回転電機から受けるｎ相交流電力を直流電力に変換して前記少なくとも１つの二次電池を充電する、請求項２０に記載の車両。
【請求項２３】
前記制御装置は、前記ｍ個の直流電源間で電力の授受が行なわれるとき、前記ｎ相交流回転電機に対するｑ軸電流を０とする電圧パターンとなるように前記マトリックスコンバータの動作を制御する、請求項１９から請求項２２のいずれか１項に記載の車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力変換装置およびそれを備えた車両に関し、特に、マトリックスコンバータを用いた電力変換装置およびそれを備えた車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年ますます高まりつつある省エネ・環境問題を背景に、電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）が大きく注目されている。電気自動車は、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。
【０００３】
従来より、電気自動車の１つとして直流電源に燃料電池を用いた燃料電池車が知られている。一般に、燃料電池車においては、モータの回生時に発生した回生エネルギーを回収するための二次電池が備えられている。そして、このような燃料電池車においては、モータの回生動作時にモータが発生した電力を用いて二次電池を充電したり、燃料電池と二次電池とを併用してより高電圧の電力をモータへ供給することが行なわれる。
【０００４】
すなわち、このような燃料電池車においては、モータとして交流モータが一般に用いられ、燃料電池および／または二次電池から出力される直流電力を交流電力に変換して交流モータに供給したり、交流モータの回生動作時に発生した交流電力を直流電力に変換して二次電池を充電したり、さらには、燃料電池からの直流電力を所定の直流電圧に電圧変換して二次電池を充電したりするなど、燃料電池、二次電池および交流モータ間で様々な電力変換が行なわれる。
【０００５】
従来より、このような複数の直流電源および交流モータ間で電力の変換を行なう電力変換装置としては、直流−交流変換を行なうインバータと、直流間で電圧変換を行なうコンバータとを組合わせた電力変換装置が一般に用いられている。
【０００６】
一方、近年、新たな電力変換装置としてマトリックスコンバータが注目されている。一般に、マトリックスコンバータは、交流を直流に一旦変換することなく交流から交流へ直接変換可能なコンバータとして知られており、たとえば、双方向スイッチが３行３列の行列状に配置され、３相交流電源から出力される所定の３相交流電圧を任意の電圧および周波数からなる３相交流電圧に直接変換するものとしてよく知られている。
【０００７】
そして、このようなマトリックスコンバータが用いられる電気システムとして、米国特許出願公開第２００１／００２６４２７号明細書では、マトリックスコンバータを用いた過電圧保護装置が開示されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００１／００２６４２７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
マトリックスコンバータは、従来の電力変換装置におけるコンバータ内に設けられているコンデンサやリアクトルを備えていないため、装置が小型であり、また、リアクトルが発生する騒音の問題も発生しない。このようなことから、特に装置の小型化や静粛性が要求される自動車においては、電力変換装置としてのマトリックスコンバータに対する期待が高い。
【０００９】
米国特許出願公開第２００１／００２６４２７号明細書は、マトリックスコンバータの電気システムへの適用例を開示するが、ここで開示されるマトリックスコンバータは、３相交流電力を出力するメインシステムと３相交流非同期モータとの間で交流間の電力変換を行なうものであり、上述したような燃料電池車などにおいて、複数の直流電源と交流モータとの間で電力変換を行なうことはできない。また、このマトリックスコンバータは、複数の電源を併用して交流モータへ交流電力を供給したり、交流モータの回生動作時に充電可能な電源（二次電池）を選択して充電できるものでもない。
【００１０】
さらに、交流モータの回生動作時、回生制御が正常に行なわれるためには、交流モータにおいて発生する起電圧がバッテリとしての二次電池の電圧よりも低い必要があるが、交流モータの最大起電圧が二次電池の電圧レベルよりも高いときにも、言い換えると、二次電池の電圧レベルが低いときにも、別途コンバータなどを設けることなく、二次電池への回生転流を自由に行なうことができるマトリックスコンバータを用いた電力変換装置が望まれる。
【００１１】
そこで、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、複数の直流電源および多相交流機器の間で相互に電力の変換を行なうマトリックスコンバータを用いた電力変換装置を提供することである。
【００１２】
また、この発明の別の目的は、複数の直流電源および多相交流機器の間で相互に電力の変換を行なうマトリックスコンバータを用いた電力変換装置を備えた車両を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明によれば、電力変換装置は、ｍ個（ｍは２以上の自然数）の直流電源およびｎ相（ｎは２以上の自然数）交流機器に接続されるマトリックスコンバータと、マトリックスコンバータの動作を制御する制御装置とを備え、マトリックスコンバータは、制御装置からの制御信号に応じて、ｍ個の直流電源とｎ相交流機器との間で相互に電力変換を行なう電力変換部と、制御装置からの制御信号に応じて、ｍ個の直流電源のうちｉ個（ｉは２以上ｍ以下の自然数）の直流電源を直列に接続する接続部とを含み、電力変換部は、ｍ個の直流電源の各々から出力される直流電力もしくは接続部によって直列接続されたｉ個の直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換してｎ相交流機器へ出力し、またはｎ相交流機器から出力される交流電力を直流電力に変換してｍ個の直流電源のいずれかへ出力する。
【００１４】
好ましくは、電力変換部は、制御装置からの制御信号に応じて、ｍ個の直流電源間における電力の授受をさらに行なう。
【００１５】
好ましくは、マトリックスコンバータは、ｍ個の直流電源に対応して設けられ、ｍ個の直流電源におけるｍ対の正極端子および負極端子にそれぞれ接続される２×ｍ本の第１の電源ラインと、ｎ相交流機器におけるｎ個の入出力端子にそれぞれ接続されるｎ本の第２の電源ラインとをさらに含み、電力変換部は、２×ｍ本の第１の電源ラインとｎ本の第２の電源ラインとの間にそれぞれ設けられる２×ｍ×ｎ個の双方向スイッチからなる。
【００１６】
好ましくは、接続部は、２×ｍ本の第１の電源ラインを互いに電気的に接続可能な複数個のスイッチを含む第１のスイッチ群からなる。
【００１７】
好ましくは、接続部は、第１のスイッチ群から、ｍ個の直流電源にそれぞれ接続されるｍ対の第１の電源ラインの各々を短絡可能なｍ個のスイッチが削除された第２のスイッチ群からなる。
【００１８】
好ましくは、接続部は、第２のスイッチ群から、直列に順接続される複数の直流電源の接続順をランダムとすることによってスイッチがさらに削減された第３のスイッチ群からなる。
【００１９】
好ましくは、接続部は、第３のスイッチ群から、直列に逆接続される複数の直流電源の接続順をランダムとすることによってスイッチがさらに削減された第４のスイッチ群からなる。
【００２０】
好ましくは、接続部は、第３のスイッチ群から、複数の直流電源を直列に逆接続するためのスイッチがさらに削減された第４のスイッチ群からなる。
【００２１】
好ましくは、電力変換部がｎ相交流機器から出力される交流電力を直流電力に変換してｍ個の直流電源のいずれかへ出力するとき、接続部に含まれるスイッチは、全てオフされる。
【００２２】
好ましくは、電力変換部は、正極端子および負極端子から充電不可能なｊ個（ｊはｍより小さい自然数）の直流電源に接続される２×ｊ本の第１の電源ラインとｎ本の第２の電源ラインとの間にそれぞれ設けられる２×ｊ×ｎ個の双方向スイッチに代えて、それぞれ２×ｊ×ｎ個の片方向スイッチからなる。
【００２３】
好ましくは、ｍ個の直流電源は、燃料電池と、二次電池とを含み、ｎ相交流機器は、３相交流回転電機からなり、電力変換部は、燃料電池の正極端子および負極端子にそれぞれ接続される１対の第１の電源ラインと３相交流回転電機の各相コイルにそれぞれ接続される３本の第２の電源ラインとの間に設けられる６個の片方向スイッチと、二次電池の正極端子および負極端子にそれぞれ接続されるもう１対の第１の電源ラインと３本の第２の電源ラインとの間に設けられる６個の双方向スイッチとからなり、接続部は、燃料電池の負極端子に接続される１対の第１の電源ラインの一方と二次電池の正極端子に接続されるもう１対の第１の電源ラインの一方との間、または燃料電池の正極端子に接続される１対の第１の電源ラインの他方と二次電池の負極端子に接続されるもう１対の第１の電源ラインの他方との間に設けられる片方向スイッチからなる。
【００２４】
好ましくは、電力変換装置は、ｍ個の直流電源に対応して設けられ、かつ、対応する直流電源に接続される１対の第１の電源ライン間に各々が接続されるｍ個のコンデンサをさらに備える。
【００２５】
好ましくは、３相交流回転電機から電力変換部へ交流電力が出力される回生動作において、３相交流回転電機の最大起電圧が二次電池の端子間電圧以上のとき、制御装置は、回転速度を低減するように３相交流回転電機へ制御指令をさらに出力し、３相交流回転電機は、制御指令に応じて、機械ブレーキを用いて回転速度を低減し、電力変換部は、３相交流回転電機の回転速度が低減した後、ｎ相交流機器から出力される交流電力を直流電力に変換してｍ個の直流電源のいずれかへ出力する。
【００２６】
好ましくは、制御装置は、最大起電圧が端子間電圧よりも低くなるように３相交流回転電機の回転速度を低減させる。
【００２７】
好ましくは、３相交流回転電機から電力変換部へ交流電力が出力される回生動作において、３相交流回転電機の最大起電圧が二次電池の端子間電圧以上のとき、制御装置は、３相交流回転電機の界磁を弱めるようにマトリックスコンバータの動作をさらに制御し、電力変換部は、３相交流回転電機の界磁が弱められた後、ｎ相交流機器から出力される交流電力を直流電力に変換してｍ個の直流電源のいずれかへ出力する。
【００２８】
好ましくは、制御装置は、３相交流回転電機の界磁を弱めることによって最大起電圧が端子間電圧よりも低くなるようにマトリックスコンバータの動作を制御する。
【００２９】
好ましくは、制御装置は、３相交流回転電機に対して界磁を弱める方向のｄ軸電流が発生するようにマトリックスコンバータの動作を制御する。
【００３０】
好ましくは、制御装置は、接続部における片方向スイッチをオンする。
【００３１】
また、この発明によれば、車両は、ｍ個（ｍは２以上の自然数）の直流電源と、ｎ相（ｎは２以上の自然数）交流回転電機と、ｍ個の直流電源とｎ相交流回転電機との間に設けられる上述したのいずれかの電力変換装置とを備える。
【００３２】
好ましくは、ｍ個の直流電源は、少なくとも１つの燃料電池と、少なくとも１つの二次電池とを含む。
【００３３】
好ましくは、マトリックスコンバータは、ｎ相交流回転電機に供給する電力レベルに応じてｍ個の直流電源のうちｉ個（ｉはｍ以下の自然数）の直流電源を直列に接続し、その直列接続されたｉ個の直流電源によって生成される直流電力をｎ相交流電力に変換してｎ相交流回転電機に供給する。
【００３４】
好ましくは、マトリックスコンバータは、ｎ相交流回転電機の回生動作時、ｎ相交流回転電機から受けるｎ相交流電力を直流電力に変換して少なくとも１つの二次電池を充電する。
【００３５】
好ましくは、制御装置は、ｍ個の直流電源間で電力の授受が行なわれるとき、ｎ相交流回転電機に対するｑ軸電流を０とする電圧パターンとなるようにマトリックスコンバータの動作を制御する。
【発明の効果】
【００３６】
この発明による電力変換装置においては、ｍ個の直流電源およびｎ相交流機器にマトリックスコンバータが接続され、マトリックスコンバータは、ｍ個の直流電源とｎ相交流機器との間で相互に電力変換を行なう電力変換部と、ｍ個の直流電源のうちｉ個の直流電源を直列に接続可能な接続部とを含むので、ｍ個の直流電源およびｎ相交流機器間のパワーフローパターンに応じてｍ個の直流電源およびｎ相交流機器間で接続部によりダイナミックに回路構成が変換され、そのうえで電力変換部によってｍ個の直流電源とｎ相交流機器との間で相互に電力変換が行なわれる。
【００３７】
したがって、この発明によれば、ｍ個の直流電源とｎ相交流機器との間で様々な電力授受を実現できる。そして、ｍ個の直流電源が直列に接続されるときの最大直流電圧の範囲内で任意の交流電圧を生成してｎ相交流機器に供給することができる。また、従来の電力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、電力変換装置を小型化でき、リアクトルによる騒音も無くなるので静粛性が向上する。
【００３８】
また、この発明による電力変換装置においては、接続部による直流電源の接続条件に応じて不要なスイッチを削除するようにしたので、使用状況に応じた適切な数からなるスイッチで接続部が構成される。
【００３９】
したがって、この発明によれば、使用状況に応じた必要最小限のスイッチからなる電力変換装置が実現される。
【００４０】
また、この発明による電力変換装置においては、充電不可能な直流電源に接続される第１の電源ラインに接続される電力変換部のスイッチは、片方向スイッチからなるので、不必要な方向に電流を流すパワー素子が削減される。
【００４１】
したがって、この発明によれば、過不足のない適切なスイッチング構成からなる電力変換装置が実現される。
【００４２】
また、この発明による電力変換装置においては、直流電源の正極端子および負極端子に接続される第１の電源ライン間にコンデンサを設けたので、第１の電源ラインにおける電圧変動が抑制される。
【００４３】
したがって、この発明によれば、スイッチング動作による各機器へのリップルの影響を低減することができる。
【００４４】
また、この発明による電力変換装置においては、３相交流回転電機から電力変換部へ交流電圧が出力される回生動作において３相交流回転電機の最大起電圧が二次電池の端子間電圧以上のとき、機械ブレーキを用いて３相交流回転電機の回転速度が低減されるので、３相交流回転電機の起電圧が低減される。
【００４５】
したがって、この発明によれば、二次電池の端子間電圧に拘わらず、３相交流回転電機から二次電池への回生転流を実現できる。
【００４６】
また、この発明による電力変換装置においては、回生動作において３相交流回転電機の最大起電圧が二次電池の端子間電圧以上のとき、３相交流回転電機の界磁が弱められるので、３相交流回転電機の起電圧が低減される。
【００４７】
したがって、この発明によっても、二次電池の端子間電圧に拘わらず、３相交流回転電機から二次電池への回生転流を実現できる。
【００４８】
また、この発明による電力変換装置においては、回生動作において３相交流回転電機の最大起電圧が二次電池の端子間電圧以上のとき、制御装置は、３相交流回転電機に対して界磁を弱める方向のｄ軸電流を発生させる。そして、制御装置は、接続部における片方向スイッチをオンするので、直流電源側が高電圧化される。
【００４９】
したがって、この発明によれば、ｄ軸電流制御の応答性が向上し、その結果、３相交流回転電機から二次電池への回生動作を高応答化できる。
【００５０】
また、この発明による車両によれば、ｍ個の直流電源と、ｎ相交流回転電機と、そのｍ個の直流電源およびｎ相交流回転電機間で相互に電力変換を行なう上述した電力変換装置とを備えるので、ｍ個の直流電源とｎ相交流回転電機との間でパワーフローパターンに応じた様々な電力授受を実現できる。また、リアクトルやコンデンサが不要となるので、車両において特に強く要求される小型化および静粛性の向上が実現される。
【００５１】
また、この発明による車両においては、ｍ個の直流電源間で電力の授受が行なわれるとき、ｎ相交流回転電機に対するｑ軸電流が０となるように電圧パターンが生成されるので、ｎ相交流回転電機において回転トルクは発生しない。
【００５２】
したがって、この発明によれば、安全性に十分に配慮した車両が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
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。
【００５４】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による電力変換装置が搭載された燃料電池車における電力システムの主要部の構成を示す電気回路図である。
【００５５】
図１を参照して、燃料電池車１００は、電力変換部１０と、接続部２０と、制御装置３０と、燃料電池ＦＣと、バッテリＢＡＴと、モータジェネレータＭＧとを備える。
【００５６】
燃料電池ＦＣは、たとえば水素などの燃料と酸化剤との化学反応によって発生する化学反応エネルギーから電気エネルギーを得る直流電力発電電池である。燃料電池ＦＣは、発電した直流電力を電力変換部１０に供給する。バッテリＢＡＴは、たとえば、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池である。バッテリＢＡＴは、直流電力を電力変換部１０に供給するとともに、電力変換部１０から受ける直流電力によって充電される。
【００５７】
モータジェネレータＭＧは、３相交流同期電動発電機であり、外周面に複数個の永久磁石を有するロータ（図示せず）と、回転磁界を形成する３相コイルが巻回されたステータ（図示せず）とを含む。モータジェネレータＭＧは、永久磁石による磁界と３相コイルによって形成される磁界との相互作用によりロータを回転駆動する電動機として動作するとともに、永久磁石による磁界とロータの回転との相互作用により３相コイルの両端に起電力を生じさせる発電機として動作する。
【００５８】
電力変換部１０は、燃料電池ＦＣまたはバッテリＢＡＴから直流電力を受け、その受けた直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータＭＧへ出力する。また、電力変換部１０は、後述する接続部２０によって燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴが直列接続されたとき、その直列接続された燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴから出力される高電圧の直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータＭＧへ出力する。さらに、電力変換部１０は、モータジェネレータＭＧによって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリＢＡＴを充電する。
【００５９】
接続部２０は、制御装置３０からの制御信号に応じて、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴを直列接続するために、バッテリＢＡＴの正極に接続される電源ラインＬＣを燃料電池ＦＣの負極に接続される電源ラインＬＢと接続する。
【００６０】
制御装置３０は、燃料電池ＦＣおよび／またはバッテリＢＡＴから供給される電力に基づいてモータトルク指令に応じたトルクをモータジェネレータＭＧに発生させるため、電力変換部１０および接続部２０を制御する。
【００６１】
具体的には、制御装置３０は、燃料電池ＦＣまたはバッテリＢＡＴからの直流電力のみでモータジェネレータＭＧを駆動するときは、電源ラインＬＣを電源ラインＬＢと電気的に切離すように接続部２０へ制御信号を出力し、燃料電池ＦＣまたはバッテリＢＡＴからの直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータＭＧへ出力するように電力変換部１０へＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を出力する。
【００６２】
また、制御装置３０は、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴを直列に接続してモータジェネレータＭＧを駆動するときは、電源ラインＬＣを電源ラインＬＢと電気的に接続するように接続部２０へ制御信号を出力し、接続部２０によって直列接続された燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴからの直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータＭＧへ出力するように電力変換部１０へＰＷＭ信号を出力する。
【００６３】
さらに、制御装置３０は、モータジェネレータＭＧによって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリＢＡＴを充電するため、電力変換部１０および接続部２０を制御する。具体的には、制御装置３０は、電源ラインＬＣを電源ラインＬＢと電気的に切離すように接続部２０へ制御信号を出力する。そして、制御装置３０は、モータジェネレータＭＧによって発電された交流電力が直流電力に整流され、かつ、モータジェネレータＭＧにおいて発生した起電圧ＶｍｇがバッテリＢＡＴの端子間電圧Ｖｂａｔまで昇圧されるように、電力変換部１０へ制御信号を出力する。
【００６４】
ここで、上記の回生動作において、回生制御が正常に行なわれるためには、モータジェネレータＭＧにおいて発生する起電圧Ｖｍｇの最大値がバッテリＢＡＴの端子間電圧Ｖｂａｔよりも小さい必要がある。そこで、制御装置３０は、モータジェネレータＭＧの起電圧Ｖｍｇの最大値がバッテリＢＡＴの端子間電圧Ｖｂａｔ以上のときは、モータジェネレータＭＧが機械ブレーキによって制動されるようにモータジェネレータＭＧへ制動指令を出力し、モータジェネレータＭＧの起電圧Ｖｍｇの最大値がバッテリＢＡＴの端子間電圧Ｖｂａｔよりも低くなった後、上述した制御信号を電力変換部１０へ出力する。
【００６５】
この燃料電池車１００においては、電力変換部１０は、燃料電池ＦＣからの直流電力を交流電力に変換し、その変換された交流電力をモータジェネレータＭＧに供給する。また、電力変換部１０は、バッテリＢＡＴからの直流電力を交流電力に変換し、その変換された交流電力をモータジェネレータＭＧに供給することもできる。
【００６６】
さらに、電力変換部１０は、接続部２０によって直列に接続された燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴからの直流電力を交流電力に変換し、その変換された交流電力をモータジェネレータＭＧに供給することができる。また、さらに、電力変換部１０は、モータジェネレータＭＧの回生動作時にモータジェネレータＭＧが発電した交流電力を直流電力に変換し、その変換した直流電力をバッテリＢＡＴに供給することもできる。
【００６７】
電力変換部１０および接続部２０は、マトリックスコンバータによって構成される。電力変換部１０は、スイッチＳＡａ〜ＳＤａ，ＳＡｂ〜ＳＤｂ，ＳＡｃ〜ＳＤｃと、電源ラインＬＡ〜ＬＤ，Ｌａ〜Ｌｃとを含む。また、接続部２０は、スイッチＳＣｄと、電源ラインＬｄとを含む。
【００６８】
電源ラインＬＡ，ＬＢは、燃料電池ＦＣの正極端子および負極端子にそれぞれ接続される。電源ラインＬＣ，ＬＤは、バッテリＢＡＴの正極端子および負極端子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ＭＧのＵ相コイル，Ｖ相コイル，Ｗ相コイルの反中性点側にそれぞれ接続される。また、電源ラインＬｄは、電源ラインＬＢに接続される。
【００６９】
スイッチＳＡａ，ＳＢａ，ＳＡｂ，ＳＢｂ，ＳＡｃ，ＳＢｃ，ＳＣｄの各々は、片方向スイッチからなる。スイッチＳＡａ，ＳＡｂ，ＳＡｃは、電源ラインＬＡと電源ラインＬａ，Ｌｂ，Ｌｃとの間にそれぞれ接続され、制御装置３０から受けるＰＷＭ信号に応じてそれぞれ電源ラインＬＡから電源ラインＬａ，Ｌｂ，Ｌｃへ電流を流す。また、スイッチＳＢａ，ＳＢｂ，ＳＢｃは、電源ラインＬＢと電源ラインＬａ，Ｌｂ，Ｌｃとの間にそれぞれ接続され、制御装置３０から受けるＰＷＭ信号に応じてそれぞれ電源ラインＬａ，Ｌｂ，Ｌｃから電源ラインＬＢへ電流を流す。スイッチＳＣｄは、電源ラインＬＣと電源ラインＬｄとの間に接続され、制御装置３０から受ける制御信号に応じて電源ラインＬＣから電源ラインＬｄへ電流を流す。
【００７０】
スイッチＳＣａ，ＳＤａ，ＳＣｂ，ＳＤｂ，ＳＣｃ，ＳＤｃの各々は、双方向スイッチからなる。スイッチＳＣａ，ＳＣｂ，ＳＣｃは、電源ラインＬＣと電源ラインＬａ，Ｌｂ，Ｌｃとの間にそれぞれ接続され、スイッチＳＤａ，ＳＤｂ，ＳＤｃは、電源ラインＬＤと電源ラインＬａ，Ｌｂ，Ｌｃとの間にそれぞれ接続される。そして、バッテリＢＡＴからモータジェネレータＭＧへの電力供給時、制御装置３０から受けるＰＷＭ信号に応じて、スイッチＳＣａ，ＳＣｂ，ＳＣｃは、それぞれ電源ラインＬＣから電源ラインＬａ，Ｌｂ，Ｌｃへ電流を流し、スイッチＳＤａ，ＳＤｂ，ＳＤｃは、それぞれ電源ラインＬａ，Ｌｂ，Ｌｃから電源ラインＬＤへ電流を流す。また、モータジェネレータＭＧからバッテリＢＡＴへの電力供給時、スイッチＳＣａ，ＳＤａ，ＳＣｂ，ＳＤｂ，ＳＣｃ，ＳＤｃは、制御装置３０から受ける制御信号に応じて電源ラインＬａ，Ｌｂ，Ｌｃからの交流電力を整流してバッテリＢＡＴに供給する。
【００７１】
制御装置３０は、モータトルク指令値、モータジェネレータＭＧの各相の電流値、ならびに燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴの出力電圧を入力してモータジェネレータＭＧの各相コイルの電圧を演算する。ここで、モータジェネレータＭＧの各相の電流値は、図示されない電流センサにより検出され、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴの出力電圧は、図示されない電圧センサにより検出される。
【００７２】
そして、制御装置３０は、燃料電池車１００のパワーフローパターンおよび算出したモータジェネレータＭＧの各相の電圧演算結果に基づいて、燃料電池ＦＣおよび／またはバッテリＢＡＴからモータジェネレータＭＧへ所望の電力を供給するためのＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を各スイッチＳＡａ〜ＳＤａ，ＳＡｂ〜ＳＤｂ，ＳＡｃ〜ＳＤｃへ出力する。
【００７３】
また、制御装置３０は、燃料電池車１００のパワーフローパターンに基づいて、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴを直列に接続するための制御信号を生成し、その生成した制御信号をスイッチＳＣｄへ出力する。
【００７４】
さらに、制御装置３０は、モータジェネレータＭＧの各相の電圧ならびに燃料電池およびバッテリＢＡＴの端子間電圧を検出し、その検出結果に基づいて、モータジェネレータＭＧまたは燃料電池ＦＣからバッテリＢＡＴへ電力を供給するための制御信号を生成し、その生成した制御信号を各スイッチＳＡａ〜ＳＤａ，ＳＡｂ〜ＳＤｂ，ＳＡｃ〜ＳＤｃへ出力する。ここで、モータジェネレータＭＧの各相の電圧は、図示されない電圧センサにより検出される。
【００７５】
なお、燃料電池車１００のパワーフローパターン、およびそのパワーフローパターンに応じた制御装置３０、電力変換部１０および接続部２０の具体的な動作は、後ほど詳しく説明する。
【００７６】
なお、上記において、モータジェネレータＭＧは、「３相交流回転電機」を構成し、電源ラインＬＡ〜ＬＤは、「第１の電源ライン」を構成し、電源ラインＬａ〜Ｌｃは、「第２の電源ライン」を構成する。
【００７７】
図２は、図１に示した双方向スイッチの構成を示す回路図である。
【００７８】
図２を参照して、双方向スイッチからなるスイッチＳＣａ，ＳＤａ，ＳＣｂ，ＳＤｂ，ＳＣｃ，ＳＤｃの各々は、パワー半導体素子５２，５４と、ダイオード５６，５８とからなる。パワー半導体素子５２，５４は、たとえば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）からなる。
【００７９】
パワー半導体素子５２は、コレクタが端子６０に接続され、ダイオード５６のアノードにエミッタが接続され、制御装置３０（図示せず）からの制御信号をベースに受ける。ダイオード５６は、パワー半導体素子５２のエミッタにアノードが接続され、カソードが端子６２に接続される。
【００８０】
また、パワー半導体素子５４は、コレクタが端子６２に接続され、ダイオード５８のアノードにエミッタが接続され、制御装置３０からの制御信号をベースに受ける。ダイオード５８は、パワー半導体素子５４のエミッタにアノードが接続され、カソードが端子６０に接続される。
【００８１】
そして、パワー半導体素子５２とダイオード５６との接続点は、パワー半導体素子５４とダイオード５８との接続点と接続される。端子６０，６２は、対応する２つの電源ラインにそれぞれ接続される。
【００８２】
このスイッチにおいては、制御装置３０からの制御信号が活性化されると、パワー半導体素子５２がオンし、パワー半導体素子５２およびダイオード５６を介して端子６０から端子６２へ電流を流すことができる。また、制御装置３０からの制御信号が活性化されると、パワー半導体素子５４もオンし、パワー半導体素子５４およびダイオード５８を介して端子６２から端子６０へも電流を流すことができる。
【００８３】
したがって、制御装置３０からの制御信号が活性化されたとき、端子６２よりも端子６０の方が高電圧のときは、パワー半導体素子５２およびダイオード５６を介して端子６０から端子６２へ電流が流れる。なお、ダイオード５８には逆バイアスがかかるので、パワー半導体素子５４に逆方向の電流は流れない。また、制御装置３０からの制御信号が活性化されたとき、端子６０よりも端子６２の方が高電圧のときは、パワー半導体素子５４およびダイオード５８を介して端子６２から端子６０へ電流が流れる。なお、ダイオード５６には逆バイアスがかかるので、パワー半導体素子５２に逆方向の電流は流れない。
【００８４】
図３は、図１に示した双方向スイッチの他の構成を示す回路図である。
【００８５】
図３を参照して、双方向スイッチからなるスイッチＳＣａ，ＳＤａ，ＳＣｂ，ＳＤｂ，ＳＣｃ，ＳＤｃの各々は、パワー半導体素子７２，７４からなる。パワー半導体素子７２，７４は、逆阻止機能付きＩＧＢＴからなる。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。
【００８６】
パワー半導体素子７２は、コレクタおよびエミッタがそれぞれ端子６０，６２に接続され、制御装置３０（図示せず）からの制御信号をベースに受ける。パワー半導体素子７４は、コレクタおよびエミッタがそれぞれ端子６２，６０に接続され、制御装置３０からの制御信号をベースに受ける。
【００８７】
このスイッチにおいては、制御装置３０からの制御信号が活性化されると、パワー半導体素子７２，７４がいずれもオンする。したがって、制御装置３０からの制御信号が活性化されたとき、端子６２よりも端子６０の方が高電圧のときは、パワー半導体素子７２を介して端子６０から端子６２へ電流が流れる。なお、パワー半導体素子７４には逆バイアスがかかるが、パワー半導体素子７４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、制御装置３０からの制御信号が活性化されたとき、端子６０よりも端子６２の方が高電圧のときは、パワー半導体素子７４を介して端子６２から端子６０へ電流が流れる。なお、パワー半導体素子７２には逆バイアスがかかるが、パワー半導体素子７２も、逆耐圧を有するので、素子が破壊されることはない。
【００８８】
なお、特に図示しないが、片方向スイッチであるスイッチＳＡａ，ＳＢａ，ＳＡｂ，ＳＢｂ，ＳＡｃ，ＳＢｃの各々は、たとえば、ＩＧＢＴなどのパワー半導体素子からなる。
【００８９】
図４〜図１８は、図１に示した燃料電池車１００のパワーフローパターンに応じた制御装置３０、電力変換部１０および接続部２０の具体的な動作および電流の流れを説明するための図である。ここで、この燃料電池車１００には、下記の６つのパワーフローパターンＰ１〜Ｐ６が存在する。
（Ｐ１）燃料電池ＦＣが力行（電力を出力）でモータジェネレータＭＧが力行動作
（Ｐ２）燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴが力行でモータジェネレータＭＧが力行動作
（Ｐ３）燃料電池ＦＣが力行でモータジェネレータＭＧが力行動作およびバッテリＢＡＴが回生（充電）
（Ｐ４）モータジェネレータＭＧが回生動作でバッテリＢＡＴが回生
（Ｐ５）バッテリＢＡＴが力行でモータジェネレータＭＧが力行動作
（Ｐ６）燃料電池ＦＣが力行でバッテリＢＡＴが回生
図４は、燃料電池ＦＣが力行でモータジェネレータＭＧが力行動作時の電力の流れを示すブロック図であり、図５は、図４に示したパワーフローパターンＰ１時の電力の流れを示す電気回路図である。
【００９０】
図４，図５を参照して、制御装置３０は、モータトルク指令値、モータジェネレータＭＧの各相の電流値、および燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴの出力電圧を入力してモータジェネレータＭＧの各相コイルの電圧を演算する。そして、制御装置３０は、算出したモータジェネレータＭＧの各相の電圧演算結果に基づいてＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号をスイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃへ出力する。
【００９１】
そうすると、スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃの各々は、制御装置３０から受けるＰＷＭ信号に応じてオン／オフし、燃料電池ＦＣから出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ動作を行なう。これによって、燃料電池ＦＣから出力される直流電力が電力変換部１０によって交流電力に変換されてモータジェネレータＭＧへ出力される。
【００９２】
なお、このパワーフローパターンＰ１では、その他のスイッチＳＣａ〜ＳＣｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃ，ＳＣｄは、常時オフされる。
【００９３】
図６は、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴが力行でモータジェネレータＭＧが力行動作時の電力の流れを示すブロック図であり、図７は、図６に示したパワーフローパターンＰ２時の電力の流れを示す電気回路図である。
【００９４】
図６，図７を参照して、制御装置３０は、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴを直列接続して高電圧化するために、スイッチＳＣｄをオンするための制御信号を接続部２０へ出力する。また、制御装置３０は、パワーフローパターンＰ１のときと同様に、モータジェネレータＭＧの各相コイルの電圧を演算する。そして、制御装置３０は、算出したモータジェネレータＭＧの各相の電圧演算結果に基づいてＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号をスイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃへ出力する。
【００９５】
そうすると、スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃの各々は、制御装置３０から受けるＰＷＭ信号に応じてオン／オフし、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴから出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ動作を行なう。これによって、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴから出力される高電圧の直流電力が電力変換部１０によって交流電力に変換されてモータジェネレータＭＧへ出力される。
【００９６】
なお、このパワーフローパターンＰ２では、その他のスイッチＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃは、常時オフされる。
【００９７】
図８は、燃料電池ＦＣが力行でモータジェネレータＭＧが力行動作およびバッテリＢＡＴが回生時の電力の流れを示すブロック図であり、図９は、図８に示したパワーフローパターンＰ３時の電力の流れを示す電気回路図である。
【００９８】
図８，図９を参照して、制御装置３０は、パワーフローパターンＰ１のときと同様に、モータジェネレータＭＧの各相コイルの電圧を演算する。そして、制御装置３０は、算出したモータジェネレータＭＧの各相の電圧演算結果に基づいてＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号をスイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃへ出力する。
【００９９】
さらに、制御装置３０は、検出した燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴの端子間電圧に基づいて、燃料電池ＦＣからバッテリＢＡＴへ電力を供給するための制御信号を生成し、その生成した制御信号をスイッチＳＣａ〜ＳＣｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃへ出力する。
【０１００】
そうすると、スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃの各々は、制御装置３０から受けるＰＷＭ信号に応じてオン／オフし、燃料電池ＦＣから出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ動作を行なう。また、スイッチＳＣａ〜ＳＣｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃの各々は、制御装置３０から受ける制御信号に応じてオン／オフし、スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃによって交流変換された電源ラインＬａ〜Ｌｃ上の駆動電流の一部を整流してバッテリＢＡＴへ出力する。これによって、燃料電池ＦＣから出力される直流電力が電力変換部１０によって交流電力に変換されてモータジェネレータＭＧへ出力されるとともに、その変換された交流電力を利用してバッテリＢＡＴが同時に充電される。
【０１０１】
なお、このパワーフローパターンＰ３では、スイッチＳＣｄは、常時オフされる。
【０１０２】
図１０は、モータジェネレータＭＧが回生動作でバッテリＢＡＴが回生時の電力の流れを示すブロック図であり、図１１は、図１０に示したパワーフローパターンＰ４時の電力の流れを示す電気回路図である。
【０１０３】
図１０，図１１を参照して、制御装置３０は、検出したモータジェネレータＭＧの各相の電圧およびバッテリＢＡＴの端子間電圧Ｖｂａｔに基づいて、モータジェネレータＭＧからバッテリＢＡＴへ電力を供給するための制御信号を生成し、その生成した制御信号をスイッチＳＣａ〜ＳＣｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃへ出力する。
【０１０４】
そうすると、スイッチＳＣａ〜ＳＣｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃの各々は、制御装置３０から受ける制御信号に応じてオン／オフし、モータジェネレータＭＧから電源ラインＬａ〜Ｌｃに出力された交流電力を整流してバッテリＢＡＴへ出力する。これによって、モータジェネレータＭＧによって回生発電された電力がバッテリＢＡＴに充電される。
【０１０５】
ここで、上述したように、回生制御が正常に行なわれるためには、モータジェネレータＭＧにおいて発生する起電圧Ｖｍｇの最大値がバッテリＢＡＴの端子間電圧Ｖｂａｔよりも小さい必要がある。そこで、制御装置３０は、モータジェネレータＭＧの起電圧Ｖｍｇの最大値がバッテリＢＡＴの端子間電圧Ｖｂａｔ以上のとき、モータジェネレータＭＧが機械ブレーキによって制動されるようにモータジェネレータＭＧへ制動指令を出力し、モータジェネレータＭＧの起電圧Ｖｍｇの最大値がバッテリＢＡＴの端子間電圧Ｖｂａｔよりも低くなってから回生制御を行なう。
【０１０６】
なお、このパワーフローパターンＰ４では、スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣｄは、常時オフされる。
【０１０７】
図１２は、図１０，図１１に示した回生動作時の制御フローチャートである。
【０１０８】
図１２を参照して、図１０，図１１に示したパワーフローパターンＰ４のとき、制御装置３０は、モータジェネレータＭＧの起電圧Ｖｍｇの最大電圧ｍａｘ（Ｖｍｇ）がバッテリＢＡＴの端子間電圧Ｖｂａｔ以上であるか否かをチェックする（ステップＳ１０）。制御装置３０は、電圧ｍａｘ（Ｖｍｇ）が電圧Ｖｂａｔよりも低いと判断すると、モータジェネレータＭＧによって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリＢＡＴを充電する回生制御を実行する（ステップＳ４０）。
【０１０９】
制御装置３０は、ステップＳ１０において電圧ｍａｘ（Ｖｍｇ）が電圧Ｖｂａｔ以上であると判断すると、モータジェネレータＭＧに対して回転速度を下げるようにモータジェネレータＭＧへ制動指令を出力する。そして、モータジェネレータＭＧは、制御装置３０から制動指令を受けると、機械ブレーキを作動させて回転速度を下げる（ステップＳ２０）。
【０１１０】
モータジェネレータＭＧの回転速度が下がると、モータジェネレータＭＧにおいて発生する起電圧Ｖｍｇは下がる。そして、制御装置３０は、モータジェネレータＭＧの起電圧Ｖｍｇの最大電圧ｍａｘ（Ｖｍｇ）がバッテリＢＡＴの端子間電圧Ｖｂａｔよりも低くなったか否かをチェックする（ステップＳ３０）。制御装置３０は、電圧ｍａｘ（Ｖｍｇ）が端子間電圧Ｖｂａｔよりも低くなったと判断すると、回生制御を実行する（ステップＳ４０）。
【０１１１】
一方、制御装置３０は、電圧ｍａｘ（Ｖｍｇ）がまだ端子間電圧Ｖｂａｔ以上であると判断すると、さらにモータジェネレータＭＧの回転速度を下げる必要があるため、ステップＳ２０へ戻る。
【０１１２】
図１３は、バッテリＢＡＴが力行でモータジェネレータＭＧが力行動作時の電力の流れを示すブロック図であり、図１４は、図１３に示したパワーフローパターンＰ５時の電力の流れを示す電気回路図である。
【０１１３】
図１３，図１４を参照して、制御装置３０は、パワーフローパターンＰ１のときと同様に、モータジェネレータＭＧの各相コイルの電圧を演算する。そして、制御装置３０は、算出したモータジェネレータＭＧの各相の電圧演算結果に基づいてＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号をスイッチＳＣａ〜ＳＣｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃへ出力する。
【０１１４】
そうすると、スイッチＳＣａ〜ＳＣｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃの各々は、制御装置３０から受けるＰＷＭ信号に応じてオン／オフし、バッテリＢＡＴから出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ動作を行なう。これによって、バッテリＢＡＴから出力される直流電力が電力変換部１０によって交流電力に変換されてモータジェネレータＭＧへ出力される。
【０１１５】
なお、このパワーフローパターンＰ５では、その他のスイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣｄは、常時オフされる。すなわち、このパワーフローパターンＰ５では、燃料電池ＦＣからの出力が停止され、バッテリＢＡＴからの出力のみでモータジェネレータＭＧが駆動される。このパワーフローパターンＰ５による運転は、「間欠運転」とも呼ばれる。
【０１１６】
図１５は、燃料電池ＦＣが力行でバッテリＢＡＴが回生時の電力の流れを示すブロック図であり、図１６は、図１５に示したパワーフローパターンＰ６時の電力の流れを示す電気回路図である。
【０１１７】
図１５，図１６を参照して、制御装置３０は、スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃをオン／オフするＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号をスイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃへ出力する。ここで、制御装置３０は、モータジェネレータＭＧの回転位置センサ（図示せず）によってモータジェネレータＭＧの回転角θを検出し、モータジェネレータＭＧに対するｑ軸電流を０とする電圧パターンとなるようにＰＷＭ信号を生成する。このようなＰＷＭ信号を生成するのは、このパワーフローパターンＰ６は、バッテリＢＡＴのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）が低下したときに燃料電池ＦＣによってバッテリＢＡＴを強制的に直接充電するものであり、燃料電池ＦＣからモータジェネレータＭＧへのパワーフローが発生しないようにするためである。
【０１１８】
また、制御装置３０は、スイッチＳＣａ〜ＳＣｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃがそれぞれスイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃと同期してスイッチング動作するように、スイッチＳＣａ〜ＳＣｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃへ制御信号を出力する。
【０１１９】
そうすると、スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃの各々は、制御装置３０からの制御信号に応じてオン／オフし、燃料電池ＦＣから出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ動作を行なう。そして、スイッチＳＣａ〜ＳＣｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃの各々は、制御装置３０からの制御信号に応じてスイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃにそれぞれ同期してオン／オフし、スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃにより交流変換された電流を整流してバッテリＢＡＴへ出力する。
【０１２０】
これによって、燃料電池ＦＣからモータジェネレータＭＧへのパワーフローを発生させることなく、燃料電池ＦＣによってバッテリＢＡＴが直接充電される。
【０１２１】
なお、このパワーフローパターンＰ６では、スイッチＳＣｄは、常時オフされる。
【０１２２】
なお、図１に示された燃料電池車１００において、直流電源ラインの電圧平滑化のため、電源ラインＬＡ，ＬＢ間および電源ラインＬＣ，ＬＤ間にそれぞれコンデンサを設けてもよい。これによって、電力変換部１０におけるスイッチング動作による各機器へのリップルの影響を低減することができる。
【０１２３】
また、上記においては、直流電源は、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴとしたが、直流電源の種類および数は、これに限定されるものではなく、他の公知の直流電源を用いてもよく、また、３個以上の直流電源を設けてもよい。
【０１２４】
また、上記においては、交流機器として３相交流同期電動発電機からなるモータジェネレータＭＧの場合について代表的に説明したが、交流機器は、これに限定されるものではなく、３相交流誘導電動発電機やｎ相の交流機であってもよい。
【０１２５】
また、上記においては、燃料電池車１００には、６つのパワーフローパターンＰ１〜Ｐ６が存在するものとしたが、パワーフローパターンは、これらのものに限定されるものではない。上述した電力変換装置によれば、様々なパターンのパワーフローを構成することができる。
【０１２６】
以上のように、この実施の形態１によれば、直流電源の燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴならびに交流機器のモータジェネレータＭＧにマトリックスコンバータが接続され、マトリックスコンバータは、燃料電池ＦＣとバッテリＢＡＴとモータジェネレータＭＧとの間で相互に電力変換を行なう電力変換部１０と、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴを直列に接続可能な接続部２０とを含むので、燃料電池車１００のパワーフローパターンに応じて燃料電池ＦＣ、バッテリＢＡＴおよびモータジェネレータＭＧ間で接続部２０によりダイナミックに回路構成が変換される。そして、そのうえで電力変換部１０によって、燃料電池ＦＣとバッテリＢＡＴとモータジェネレータＭＧとの間で相互に電力変換が行なわれる。
【０１２７】
したがって、上記の各パワーフローパターンに対応して、燃料電池ＦＣとバッテリＢＡＴとモータジェネレータＭＧとの間で様々な電力授受を実現できる。そして、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴが直列に接続されるときの最大直流電圧の範囲内で任意の交流電圧を生成してモータジェネレータＭＧに供給することができる。また、従来の電力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、燃料電池車１００を小型化でき、リアクトルによる騒音も無くなるので燃料電池車１００の静粛性が向上する。
【０１２８】
また、この実施の形態１によれば、回生動作時、機械ブレーキを用いてモータジェネレータＭＧの回転速度を下げることにより、モータジェネレータＭＧの起電圧ＶｍｇがバッテリＢＡＴの端子間電圧Ｖｂａｔ以上にならないようにしたので、モータジェネレータＭＧからバッテリＢＡＴへの回生転流を確実に実行できる。
【０１２９】
また、この実施の形態１によれば、電源ラインからの回生が不可能な燃料電池ＦＣに接続される電源ラインＬＡ，ＬＢに接続されるスイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃは、片方向スイッチからなるので、不必要な方向に電流を流すパワー素子が削減される。したがって、過不足のない適切なスイッチング構成からなる電力変換装置が実現される。
【０１３０】
また、この実施の形態１によれば、パワーフローパターンＰ６において燃料電池ＦＣからバッテリＢＡＴへ電力が供給されるとき、モータジェネレータＭＧに対するｑ軸電流が０となるように電圧パターンが生成されるので、モータジェネレータＭＧにおいて回転トルクは発生しない。したがって、安全性に十分に配慮した燃料電池車１００が実現される。
【０１３１】
［実施の形態２］
実施の形態２は、モータジェネレータＭＧが回生動作を行なうパワーフローパターンＰ４時の制御動作が実施の形態１と異なる。
【０１３２】
再び図１を参照して、実施の形態２における燃料電池車１００Ａは、実施の形態１における燃料電池車１００の構成において、制御装置３０に代えて制御装置３０Ａを備える。なお、この実施の形態２における燃料電池車１００Ａにおいては、制御装置３０ＡからモータジェネレータＭＧへの制動指令はない。燃料電池車１００Ａにおけるその他の構成は、燃料電池車１００と同じである。
【０１３３】
回生動作が行なわれるパワーフローパターンＰ４時、制御装置３０Ａは、電源ラインＬＣを電源ラインＬＢと電気的に切離すように接続部２０へ制御信号を出力する。そして、制御装置３０Ａは、モータジェネレータＭＧによって発電された交流電力が直流電力に整流され、かつ、モータジェネレータＭＧにおいて発生した起電圧ＶｍｇがバッテリＢＡＴの端子間電圧Ｖｂａｔまで昇圧されるように、電力変換部１０へ制御信号を出力する。
【０１３４】
ここで、上述したように、回生動作において、回生制御が正常に行なわれるためには、モータジェネレータＭＧにおいて発生する起電圧Ｖｍｇの最大値がバッテリＢＡＴの端子間電圧Ｖｂａｔよりも小さい必要がある。そこで、この制御装置３０Ａは、モータジェネレータＭＧの起電圧Ｖｍｇの最大値がバッテリＢＡＴの端子間電圧Ｖｂａｔ以上のとき、燃料電池ＦＣから出力される電流を用いてモータジェネレータＭＧの界磁を弱める弱め界磁制御を行なう。
【０１３５】
より具体的には、制御装置３０Ａは、モータジェネレータＭＧの界磁を弱める方向のｄ軸電流がモータジェネレータＭＧへ出力されるように、燃料電池ＦＣと接続される電源ラインＬＡ，ＬＢに接続されるスイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃのスイッチング動作を制御する。そして、モータジェネレータＭＧの界磁が弱められると、モータジェネレータＭＧにおいて発生する起電圧Ｖｍｇが低下するため、制御装置３０Ａは、バッテリＢＡＴと接続される電源ラインＬＣ，ＬＤに接続されるスイッチＳＣａ〜ＳＣｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃのスイッチング動作を制御してモータジェネレータＭＧの回生動作を行なう。
【０１３６】
なお、制御装置３０ＡにおけるパワーフローパターンＰ４時以外のその他の制御動作は、制御装置３０と同じであるので、説明を繰返さない。
【０１３７】
図１７は、この実施の形態２における回生動作時の制御フローチャートである。
【０１３８】
図１７を参照して、この制御フローは、図１２に示した実施の形態１における回生動作時の制御フローにおいて、ステップＳ２０に代えてステップＳ２５を備える。
【０１３９】
ステップＳ１０において、制御装置３０Ａは、電圧ｍａｘ（Ｖｍｇ）が電圧Ｖｂａｔ以上であると判断すると、スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃのスイッチング動作を制御し、燃料電池ＦＣを用いてモータジェネレータＭＧの弱め界磁制御を行なう（ステップＳ２５）。モータジェネレータＭＧの界磁が弱められると、モータジェネレータＭＧにおいて発生する起電圧Ｖｍｇは下がる。そして、制御装置３０Ａは、ステップＳ３０へ進む。
【０１４０】
［実施の形態２の変形例］
上記の実施の形態２では、回生動作時、燃料電池ＦＣを直流電源として用い、ｄ軸電流を用いた弱め界磁制御が行なわれた。この実施の形態２の変形例では、ｄ軸電流を用いた弱め界磁制御が行なわれるとき、接続部２０によって燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴが直列接続され、ｄ軸電流制御における電源の高電圧化が図られる。これによって、ｄ軸電流制御すなわち弱め界磁制御が高応答化される。
【０１４１】
図１８は、この実施の形態２の変形例における回生動作時の制御フローチャートである。
【０１４２】
図１８を参照して、この制御フローは、図１７に示した実施の形態２における回生動作時の制御フローにおいて、ステップＳ１５，Ｓ３５をさらに備える。
【０１４３】
ステップＳ１０において、制御装置３０Ａは、電圧ｍａｘ（Ｖｍｇ）が電圧Ｖｂａｔ以上であると判断すると、接続部２０におけるスイッチＳＣｄをオンする（ステップＳ１５）。スイッチＳＣｄがオンされ、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴが直列接続されると、制御装置３０Ａは、スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃのスイッチング動作を制御し、燃料電池ＦＣおよびバッテリＢＡＴを用いてモータジェネレータＭＧの弱め界磁制御を行なう（ステップＳ２５）。
【０１４４】
また、ステップＳ３０において、制御装置３０Ａは、電圧ｍａｘ（Ｖｍｇ）が端子間電圧Ｖｂａｔよりも低くなったと判断すると、接続部２０におけるスイッチＳＣｄをオフする（ステップＳ３５）。そして、制御装置３０Ａは、スイッチＳＣａ〜ＳＣｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃのスイッチング動作を制御し、モータジェネレータＭＧの回生制御を実行する（ステップＳ４０）。
【０１４５】
以上のように、この実施の形態２およびその変形例によれば、回生動作時、モータジェネレータＭＧを弱め界磁制御することにより、モータジェネレータＭＧの起電圧ＶｍｇがバッテリＢＡＴの端子間電圧Ｖｂａｔ以上にならないようにしたので、モータジェネレータＭＧからバッテリＢＡＴへの回生転流を確実に実行できる。
【０１４６】
また、実施の形態２の変形例によれば、回生動作時における弱め界磁制御時、接続部２０のスイッチＳＣｄをオンしてｄ軸電流制御における直流電源を高電圧化したので、ｄ軸電流制御の応答性が向上し、その結果、回生動作を高応答化できる。
【０１４７】
［実施の形態３］
実施の形態１，２による電力変換装置は、直流電源が燃料電池ＦＣとバッテリＢＡＴの２つであり、さらに一方の燃料電池ＦＣは、電源ラインからの回生（充電）がないという構成であった。そこで、この実施の形態３では、より一般化された電力変換装置が示される。
【０１４８】
図１９は、この発明の実施の形態３による電力変換装置の構成を示す電気回路図である。なお、この図１９では、各々が充放電可能な３個の直流電源および３相交流機器間の電力変換を行なう電力変換装置について代表的に示されるが、この実施の形態３において示される一般化された電力変換装置は、これに限定されるものではなく、各々が充放電可能なｍ個（ｍは２以上の自然数）の直流電源およびｎ相（ｎは２以上の自然数）交流機器間の電力変換を行なう電力変換装置に容易に拡張される。
【０１４９】
図１９を参照して、電力変換装置２００は、電力変換部１５と、接続部２５と、制御装置３５とを備える。そして、電力変換部１５は、バッテリＢＡＴ１〜ＢＡＴ３および３相交流機器４５と接続される。
【０１５０】
バッテリＢＡＴ１〜ＢＡＴ３は、充放電可能な二次電池であって、直流電力を電力変換部１５に供給するとともに、電力変換部１５から受ける直流電力によって充電される。３相交流機器４５は、電力変換部１５から交流電力を受けて力行動作し、また、回生動作によって発電した回生エネルギーを電力変換部１５に供給する。
【０１５１】
電力変換部１５は、バッテリＢＡＴ１〜ＢＡＴ３および３相交流機器４５間で相互に電力の変換および授受を行なう。また、電力変換部１５は、後述する接続部２５によってバッテリＢＡＴ１〜ＢＡＴ３のいずれか２つまたは全てが直列接続されたとき、その直列接続されたバッテリから出力される高電圧の直流電力を交流電力に変換して３相交流機器４５へ出力する。
【０１５２】
接続部２５は、バッテリＢＡＴ１〜ＢＡＴ３のいずれか２つまたは全てを直列接続するために、バッテリＢＡＴ１〜ＢＡＴ３の各々の正極および負極にそれぞれ接続される電源ラインＬＡ〜ＬＦを制御装置３５からの制御信号に応じて選択的に接続する。
【０１５３】
制御装置３５は、電力変換パターンに応じてバッテリＢＡＴ１〜ＢＡＴ３および３相交流機器４５間で所望の電力変換が行なわれるように電力変換部１５を制御する。また、制御装置３５は、電力変換パターンに応じてバッテリＢＡＴ１〜ＢＡＴ３のいずれか２つまたは全てを直列接続するために接続部２５を制御する。
【０１５４】
電力変換部１５および接続部２５は、マトリックスコンバータによって構成される。電力変換部１５は、スイッチＳＡａ〜ＳＦａ，ＳＡｂ〜ＳＦｂ，ＳＡｃ〜ＳＦｃと、電源ラインＬＡ〜ＬＦ，Ｌａ〜Ｌｃとを含む。また、接続部２５は、スイッチＳＢｄ〜ＳＦｄ，ＳＣｅ〜ＳＦｅ，ＳＤｆ〜ＳＦｆ，ＳＥｇ，ＳＦｇ，ＳＦｈと、電源ラインＬｄ〜Ｌｈとを含む。
【０１５５】
電源ラインＬＡ，ＬＢは、バッテリＢＡＴ１の正極端子および負極端子にそれぞれ接続される。電源ラインＬＣ，ＬＤは、バッテリＢＡＴ２の正極端子および負極端子にそれぞれ接続される。電源ラインＬＥ，ＬＦは、バッテリＢＡＴ３の正極端子および負極端子にそれぞれ接続される。また、電源ラインＬａ〜Ｌｃは、３相交流機器４５の各相端子にそれぞれ接続され、電源ラインＬｄ〜Ｌｈは、それぞれ電源ラインＬＡ〜ＬＦに接続される。
【０１５６】
なお、上記において、電源ラインＬＡ〜ＬＦは、「第１の電源ライン」を構成し、電源ラインＬａ〜Ｌｃは、「第２の電源ライン」を構成する。
【０１５７】
電力変換部１５および接続部２５における各スイッチは、図２または図３に示した双方向スイッチからなり、制御装置３５から受ける制御信号に応じて、各スイッチが接続される２つの電源ラインの電位差に応じた方向の電流を流すことができる。
【０１５８】
この図１９に示される接続部２５は、最も一般的な回路構成からなる。すなわち、接続部２５は、スイッチが下三角マトリックス状に配置された回路構成からなり、このような構成とすることによって、バッテリＢＡＴ１〜ＢＡＴ３をあらゆる順序および方向で接続することができる。
【０１５９】
ここで、直流電源がｍ個に一般化された場合において、接続部２５におけるスイッチが上述した下三角マトリックス状に配置される場合に要するスイッチの個数Ｎ１は、下式で示される。
【０１６０】
【数１】
2005348544.tif 000003
【０１６１】
［実施の形態３の変形例１］
図２０は、この発明の実施の形態３の変形例１による電力変換装置の構成を示す電気回路図である。
【０１６２】
図２０を参照して、この電力変換装置２００Ａは、図１９に示した電力変換装置２００の構成において、接続部２５に代えて接続部２５Ａを備える。接続部２５Ａは、接続部２５の構成において、スイッチＳＢｄ，ＳＤｆ，ＳＦｈと、電源ラインＬｈが削除された構成からなる。
【０１６３】
すなわち、接続部２５Ａは、バッテリＢＡＴ１〜ＢＡＴ３を直列接続するために電源ラインＬＡ〜ＬＦを選択して電気的に接続するためのものであるところ、各バッテリＢＡＴ１〜ＢＡＴ３の正極および負極を短絡するような電源ライン間の接続形態はあり得ないので、接続部２５の構成において、電源ラインＬＡを電源ラインＬＢと接続するためのスイッチＳＢｄ、電源ラインＬＣを電源ラインＬＤと接続するためのスイッチＳＤｆ、および電源ラインＬＥを電源ラインＬＦと接続するためのスイッチＳＦｈを削除したものである。
【０１６４】
ここで、直流電源がｍ個の場合に電力変換装置２００Ａを一般化すると、接続部２５Ａにおけるスイッチの個数Ｎ２は、下式で示される。
【０１６５】
【数２】
2005348544.tif 000004
【０１６６】
［実施の形態３の変形例２］
図２１は、この発明の実施の形態３の変形例２による電力変換装置の構成を示す電気回路図である。
【０１６７】
図２１を参照して、この電力変換装置２００Ｂは、図１９に示した電力変換装置２００の構成において、接続部２５に代えて接続部２５Ｂを備える。接続部２５Ｂは、図２０に示した接続部２５Ａの構成において、スイッチＳＣｅ，ＳＥｅ，ＳＥｇがさらに削除された構成からなる。
【０１６８】
すなわち、図２２に示すように、バッテリを直列に順接続する場合、出力側の３相交流機器４５からみれば接続順を入れ替えても同様の電源構成とみなされるところ、接続部２５Ａの構成において、電源ラインＬＡを電源ラインＬＤと接続するスイッチＳＤｄと、電源ラインＬＢを電源ラインＬＣと接続するスイッチＳＣｅとは、バッテリＢＡＴ１，ＢＡＴ２の接続関係において冗長であるので、一方のスイッチＳＣｅを削除したものである。同様にして、バッテリＢＡＴ１，ＢＡＴ３の接続関係において冗長なスイッチＳＦｄ，ＳＥｅ、およびバッテリＢＡＴ２，ＢＡＴ３の接続関係において冗長なスイッチＳＦｆ，ＳＥｇについて、それぞれ一方のスイッチＳＥｅ，ＳＥｇが削除される。
【０１６９】
なお、上記においては、冗長なスイッチのうち、スイッチＳＣｅ，ＳＥｅ，ＳＥｇを削除するものとしたが、他方のスイッチＳＤｄ，ＳＦｄ，ＳＦｆを削除するようにしてもよい。
【０１７０】
ここで、直流電源がｍ個の場合に電力変換装置２００Ｂを一般化すると、接続部２５Ｂにおけるスイッチの個数Ｎ３は、下式で示される。
【０１７１】
【数３】
2005348544.tif 000005
【０１７２】
［実施の形態３の変形例３］
図２３は、この発明の実施の形態３の変形例３による電力変換装置の構成を示す電気回路図である。
【０１７３】
図２３を参照して、この電力変換装置２００Ｃは、図１９に示した電力変換装置２００の構成において、接続部２５に代えて接続部２５Ｃを備える。接続部２５Ｃは、図２１に示した接続部２５Ｂの構成において、スイッチＳＤｅ，ＳＦｅ，ＳＦｇと、電源ラインＬｅ，Ｌｇがさらに削除された構成からなる。
【０１７４】
すなわち、図２４に示すように、バッテリを直列に逆接続する場合、出力側の３相交流機器４５からみれば接続順を入れ替えても同様の電源構成とみなされるところ、接続部２５Ｂの構成において、電源ラインＬＡを電源ラインＬＣと接続するスイッチＳＣｄと、電源ラインＬＢを電源ラインＬＤと接続するスイッチＳＤｅとは、バッテリＢＡＴ１，ＢＡＴ２の接続関係において冗長であるので、一方のスイッチＳＤｅを削除したものである。同様にして、バッテリＢＡＴ１，ＢＡＴ３の接続関係において冗長なスイッチＳＥｄ，ＳＦｅ、およびバッテリＢＡＴ２，ＢＡＴ３の接続関係において冗長なスイッチＳＥｆ，ＳＦｇについて、それぞれ一方のスイッチＳＦｅ，ＳＦｇが削除される。
【０１７５】
なお、上記においては、冗長なスイッチのうち、スイッチＳＤｅ，ＳＦｅ，ＳＦｇを削除するものとしたが、他方のスイッチＳＣｄ，ＳＥｄ，ＳＥｆを削除するようにしてもよい。但し、この場合は、電源ラインＬｅ，Ｌｇを削除することはできない。したがって、装置の小型化の観点からは、スイッチＳＤｅ，ＳＦｅ，ＳＦｇを削除する方が好ましい。
【０１７６】
ここで、直流電源がｍ個の場合に電力変換装置２００Ｃを一般化すると、接続部２５Ｃにおけるスイッチの個数Ｎ４は、下式で示される。
【０１７７】
【数４】
2005348544.tif 000006
【０１７８】
［実施の形態３の変形例４］
図２５は、この発明の実施の形態３の変形例４による電力変換装置の構成を示す電気回路図である。
【０１７９】
図２５を参照して、この電力変換装置２００Ｄは、図１９に示した電力変換装置２００の構成において、接続部２５に代えて接続部２５Ｄを備える。接続部２５Ｄは、図２３に示した接続部２５Ｃの構成において、スイッチＳＣｄ，ＳＥｄ，ＳＥｆがさらに削除された構成からなる。
【０１８０】
すなわち、上記の実施の形態３および実施の形態３の変形例１〜３は、それぞれ接続部２５〜２５Ｃにおいてバッテリの逆接続を許容するものであるが、この実施の形態３の変形例４では、実施の形態１のように、バッテリを逆接続させて一方のバッテリから他方のバッテリを強制的に直接充電する機能を電力変換部１５に備えさせ、複数のバッテリを順接続して高電圧の直流電力を発生させることを接続部２５Ｄの目的として、バッテリＢＡＴ１〜ＢＡＴ３を逆接続するスイッチＳＣｄ，ＳＥｄ，ＳＥｆをさらに削除したものである。
【０１８１】
なお、この実施の形態３の変形例４において直流電源を２個とすると、この電力変換装置２００Ｄの構成は、実施の形態１による電力変換装置の構成に相当する。
【０１８２】
ここで、直流電源がｍ個の場合に電力変換装置２００Ｄを一般化すると、接続部２５Ｄにおけるスイッチの個数Ｎ５は、下式で示される。
【０１８３】
【数５】
2005348544.tif 000007
【０１８４】
なお、上記の各電力変換装置２００，２００Ａ〜２００Ｄにおいて、直流電源ラインの電圧平滑化のため、電源ラインＬＡ，ＬＢ間、電源ラインＬＣ，ＬＤ間および電源ラインＬＥ，ＬＦ間にそれぞれコンデンサを設けてもよい。これによって、電力変換部１５におけるスイッチング動作による各機器へのリップルの影響を低減することができる。
【０１８５】
以上のように、この実施の形態３によれば、直流電源のバッテリＢＡＴ１〜ＢＡＴ３および３相交流機器４５にマトリックスコンバータが接続され、マトリックスコンバータは、バッテリＢＡＴ１〜ＢＡＴ３と３相交流機器４５との間で相互に電力変換を行なう電力変換部１５と、バッテリＢＡＴ１〜ＢＡＴ３を直列に接続可能な接続部２５とを含むので、電力変換装置２００における電力変換パターンに応じてバッテリＢＡＴ１〜ＢＡＴ３および３相交流機器４５間で接続部２５によりダイナミックに回路構成が変換される。そして、そのうえで電力変換部１５によってバッテリＢＡＴ１〜ＢＡＴ３と３相交流機器４５との間で相互に電力変換が行なわれる。
【０１８６】
したがって、バッテリＢＡＴ１〜ＢＡＴ３と３相交流機器４５との間で様々な電力授受を実現できる。そして、バッテリＢＡＴ１〜ＢＡＴ３が直列に接続されるときの最大直流電圧の範囲内で任意の交流電圧を生成して３相交流機器４５に供給することができる。また、従来の電力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、電力変換装置２００を小型化でき、リアクトルによる騒音も無くなるので電力変換装置２００の静粛性が向上する。
【０１８７】
そして、さらに、上記の実施の形態３の変形例１〜４によれば、接続部２５Ａ〜２５Ｄにおいて、バッテリＢＡＴ１〜ＢＡＴ３の接続条件に応じて不要なスイッチを削除したので、使用状況に応じた適切な数からなるスイッチで接続部が構成される。したがって、使用状況に応じた必要最小限のスイッチからなる電力変換装置が実現される。
【０１８８】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１８９】
【図１】この発明の実施の形態１による電力変換装置が搭載された燃料電池車における電力システムの主要部の構成を示す電気回路図である。
【図２】図１に示す双方向スイッチの構成を示す回路図である。
【図３】図１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４】燃料電池が力行でモータジェネレータが力行動作時の電力の流れを示すブロック図である。
【図５】図４に示すパワーフローパターンＰ１時の電力の流れを示す電気回路図である。
【図６】燃料電池およびバッテリが力行でモータジェネレータが力行動作時の電力の流れを示すブロック図である。
【図７】図６に示すパワーフローパターンＰ２時の電力の流れを示す電気回路図である。
【図８】燃料電池が力行でモータジェネレータが力行動作およびバッテリが回生時の電力の流れを示すブロック図である。
【図９】図８に示すパワーフローパターンＰ３時の電力の流れを示す電気回路図である。
【図１０】モータジェネレータが回生動作でバッテリが回生時の電力の流れを示すブロック図である。
【図１１】図１０に示すパワーフローパターンＰ４時の電力の流れを示す電気回路図である。
【図１２】図１０，図１１に示す回生動作時の制御フローチャートである。
【図１３】バッテリが力行でモータジェネレータが力行動作時の電力の流れを示すブロック図である。
【図１４】図１３に示すパワーフローパターンＰ５時の電力の流れを示す電気回路図である。
【図１５】燃料電池が力行でバッテリが回生時の電力の流れを示すブロック図である。
【図１６】図１５に示すパワーフローパターンＰ６時の電力の流れを示す電気回路図である。
【図１７】この実施の形態２における回生動作時の制御フローチャートである。
【図１８】この実施の形態２の変形例における回生動作時の制御フローチャートである。
【図１９】この発明の実施の形態３による電力変換装置の構成を示す電気回路図である。
【図２０】この発明の実施の形態３の変形例１による電力変換装置の構成を示す電気回路図である。
【図２１】この発明の実施の形態３の変形例２による電力変換装置の構成を示す電気回路図である。
【図２２】バッテリが正順に直列接続される場合の接続構成を示す図である。
【図２３】この発明の実施の形態３の変形例３による電力変換装置の構成を示す電気回路図である。
【図２４】バッテリが逆順に直列接続される場合の接続構成を示す図である。
【図２５】この発明の実施の形態３の変形例４による電力変換装置の構成を示す電気回路図である。
【符号の説明】
【０１９０】
１０，１５  電力変換部、２０，２５，２５Ａ〜２５Ｄ  接続部、３０，３０Ａ，３５  制御装置、４５  ３相交流機器、５２，５４，７２，７４  パワー半導体素子、５６，５８  ダイオード、６０，６２  端子、１００，１００Ａ  燃料電池車、２００，２００Ａ〜２００Ｄ  電力変換装置、ＦＣ  燃料電池、ＢＡＴ，ＢＡＴ１〜ＢＡＴ３  バッテリ、ＭＧ  モータジェネレータ、ＳＡａ〜ＳＦａ，ＳＡｂ〜ＳＦｂ，ＳＡｃ〜ＳＦｃ，ＳＢｄ〜ＳＦｄ，ＳＣｅ〜ＳＦｅ，ＳＤｆ〜ＳＦｆ，ＳＥｇ，ＳＦｇ，ＳＦｈ  スイッチ、ＬＡ〜ＬＦ，Ｌａ〜Ｌｈ  電源ライン。
【図１】
2005348544.tif 000008
【図２】
2005348544.tif 000009
【図３】
2005348544.tif 000010
【図４】
2005348544.tif 000011
【図５】
2005348544.tif 000012
【図６】
2005348544.tif 000013
【図７】
2005348544.tif 000014
【図８】
2005348544.tif 000015
【図９】
2005348544.tif 000016
【図１０】
2005348544.tif 000017
【図１１】
2005348544.tif 000018
【図１２】
2005348544.tif 000019
【図１３】
2005348544.tif 000020
【図１４】
2005348544.tif 000021
【図１５】
2005348544.tif 000022
【図１６】
2005348544.tif 000023
【図１７】
2005348544.tif 000024
【図１８】
2005348544.tif 000025
【図１９】
2005348544.tif 000026
【図２０】
2005348544.tif 000027
【図２１】
2005348544.tif 000028
【図２２】
2005348544.tif 000029
【図２３】
2005348544.tif 000030
【図２４】
2005348544.tif 000031
【図２５】
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