(57)【要約】【課題】複数のバッテリセルが直列接続されたバッテリ群のコンディションに応じて適切に３レベルインバータを制御し、効率良く回転電機を制御する。【解決手段】３レベルインバータ６０は、正極電圧Ｐと負極電圧Ｎと正負両極間電圧が分圧された中間点電圧Ｍとの３レベルの電圧を交流出力電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗとして出力可能であり、中間スイッチＳｍは、上段バッテリ３１及び下段バッテリ３２が直列接続されたバッテリ群３３の中間接続点と正負両極間電圧の分圧点との電気的接続を開閉可能であり、回転電機制御装置１０は、バッテリ群３３の少なくとも温度に基づいてバッテリ群３３の暖機が必要と判定した場合に、中間スイッチＳｍを閉じ、上段バッテリ３１及び下段バッテリ３２をそれぞれ流れる電流値が所定の切替周期以上で交互に偏重されるアンバランスモードで３レベルインバータ６０をスイッチング制御する。【選択図】図１
2012023901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のバッテリセルが直列接続されたバッテリ群の正負それぞれの端子電圧を正極電圧及び負極電圧とし、直流の前記正極電圧と前記負極電圧と正負両極間電圧が分圧された中間点電圧との３レベルの電圧を交流出力電圧として出力可能な３レベルインバータをスイッチング制御して多相交流回転電機を駆動制御する回転電機制御装置であって、
前記バッテリ群の中間接続点と前記正負両極間電圧の分圧点とを結び、当該中間接続点と当該分圧点との電気的接続を開閉可能な中間スイッチと、
前記バッテリ群の少なくとも温度に基づいて当該バッテリ群の暖機が必要か否かを判定する暖機判定部と、
前記中間接続点から正極側を上段バッテリとし、前記中間接続点から負極側を下段バッテリとして、前記暖機判定部により暖機が必要と判定された場合に、前記中間スイッチを閉じて前記中間接続点と前記分圧点とを接続すると共に、前記上段バッテリ及び前記下段バッテリをそれぞれ流れる電流値が所定の切替周期以上で交互に偏重されるアンバランスモードで前記３レベルインバータをスイッチング制御するスイッチング制御部と、を備える回転電機制御装置。
【請求項２】
前記スイッチング制御部は、前記アンバランスモードの実行中に前記バッテリ群の温度が所定の暖機完了温度以上となった場合には、前記中間スイッチを開いて前記アンバランスモードを終了する請求項１に記載の回転電機制御装置。
【請求項３】
前記切替周期は、前記バッテリ群と前記３レベルインバータとの正極側配線及び負極側配線の配線インダクタンスと、前記正負両極間電圧を分圧するコンデンサのキャパシタンスとにより定まる時定数以上の値に設定される請求項１又は２に記載の回転電機制御装置。
【請求項４】
前記上段バッテリ及び前記下段バッテリの状態を判定するバッテリ状態判定部をさらに備え、
前記スイッチング制御部は、前記上段バッテリ及び前記下段バッテリの状態の差が少なくなるように前記上段バッテリ及び前記下段バッテリの使用割合を変更する請求項１から３の何れか一項に記載の回転電気制御装置。
【請求項５】
前記バッテリ状態判定部は、前記上段バッテリ及び前記下段バッテリの充電残量を判定する充電残量判定部を備え、
前記スイッチング制御部は、何れか一方のバッテリに充電が必要と判定された場合に、充電残量が多い方のバッテリから前記３レベルインバータに電力を供給させ、充電残量が少ない方のバッテリには前記３レベルインバータを介して電力を回生させる請求項４に記載の回転電機制御装置。
【請求項６】
前記バッテリ状態判定部は、前記上段バッテリ及び前記下段バッテリの故障状態を判定する故障状態判定部を備え、
前記スイッチング制御部は、前記上段バッテリが故障と判定された場合には、前記中間スイッチを閉じると共に前記下段バッテリを用いて前記３レベルインバータを２レベルインバータとしてスイッチング制御し、前記下段バッテリが故障と判定された場合には、前記中間スイッチを閉じると共に前記上段バッテリを用いて前記３レベルインバータを２レベルインバータとしてスイッチング制御する請求項４又は５に記載の回転電機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３レベルインバータをスイッチング制御して３相交流回転電機を駆動制御する回転電機制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、駆動源として、回転電機を用いた電気自動車や、回転電機と内燃機関とを併用したハイブリッド自動車が実用化されている。回転電機は、これらの自動車に搭載されたバッテリから供給される直流電力をインバータにより交流電力に変換して駆動される。インバータによる交流変換には、スイッチング素子のスイッチングによる出力電圧が２つの電圧レベルを有する２レベルインバータや、出力電圧が複数の電圧レベルを有するマルチレベルインバータがある。代表的なマルチレベルインバータとして、出力電圧が３つの電圧レベルを有する３レベルインバータがある。特開平５−１４６１６２号公報（特許文献１）には、そのような３レベルインバータが開示されている。この３レベルインバータは、低出力電圧指令（低変調率）時には、電圧指令をオフセットされて得られる２つの電圧指令とキャリアとの比較により、ダイポーラ変調と等価な変調を行う。高出力電圧指令（高変調率）時には、電圧指令の半周期の一方側で中間点と正極とのスイッチング、半周期の他方で中間点と負極とのスイッチングを行う変調方式であるユニポーラ変調を行う（特許文献１：第１４〜２２段落等）。
【０００３】
３レベルインバータの中間電圧は、特許文献１にも示されているように、コンデンサによる分圧によって生成される場合が多かった。回転電機を高出力で効率良く駆動するためにバッテリの高電圧化が進んでいることから、電源供給システムには高い絶縁性能、耐圧性能が要求されるようになってきた。つまり、電源供給システムが大型化、大重量化、高コスト化を招くようになってきた。そこで、特開２００７−２４６０３８号公報（特許文献２）には、複数のバッテリ（バッテリセル）を直列接続し、それらの中間接続位置を中性点として、電源供給システムの低耐圧化を図った３レベルインバータが開示されている（特許文献２：第２〜６段落、図１、図２等）。
【０００４】
ところで、上述したように、駆動源に回転電機を備える自動車は、内燃機関を持つ自動車の一部の用途を代替可能な環境対応車として、地球規模で期待が高まっている。しかし、そのような自動車のエネルギー源であるバッテリは低温時の効率が悪く、例えば寒冷時に回転電機が長時間停止していた後に駆動されるような際には本来のパフォーマンスを発揮できない可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１４６１６２号公報
【特許文献２】特開２００７−２４６０３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、複数のバッテリセルが直列接続されたバッテリ群のコンディションに応じて適切に３レベルインバータを制御し、効率良く回転電機を制御することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑みた、本発明に係る回転電機制御装置の特徴構成は、
複数のバッテリセルが直列接続されたバッテリ群の正負それぞれの端子電圧を正極電圧及び負極電圧とし、直流の前記正極電圧と前記負極電圧と正負両極間電圧が分圧された中間点電圧との３レベルの電圧を交流出力電圧として出力可能な３レベルインバータをスイッチング制御して多相交流回転電機を駆動制御する回転電機制御装置であって、
前記バッテリ群の中間接続点と前記正負両極間電圧の分圧点とを結び、当該中間接続点と当該分圧点との電気的接続を開閉可能な中間スイッチと、
前記バッテリ群の少なくとも温度に基づいて当該バッテリ群の暖機が必要か否かを判定する暖機判定部と、
前記中間接続点から正極側を上段バッテリとし、前記中間接続点から負極側を下段バッテリとして、前記暖機判定部により暖機が必要と判定された場合に、前記中間スイッチを閉じて前記中間接続点と前記分圧点とを接続すると共に、前記上段バッテリ及び前記下段バッテリをそれぞれ流れる電流値が所定の切替周期以上で交互に偏重されるアンバランスモードで前記３レベルインバータをスイッチング制御するスイッチング制御部と、を備える点にある。
【０００８】
この構成によれば、バッテリ群の中間接続点と正負両極間電圧の分圧点とを結ぶ中間スイッチを有することにより、中間接続点から正極側の上段バッテリと負極側の下段バッテリとを流れる電流の大きさを異ならせ、消費電流を何れか一方に偏重させることが可能となる。内部抵抗を有するバッテリセルの消費電力は、内部抵抗に比例し、バッテリセルを流れる電流の２乗に比例する。即ち、バッテリセルでは、内部抵抗に比例し、バッテリセルを流れる電流の２乗に比例する発熱（ジュール熱）を生じる。上段バッテリと下段バッテリとを流れる電流を何れか一方に偏重させることにより、一方のバッテリにおける電流が増加すると、発熱は大きく増加する。従って、迅速にバッテリを暖機することができる。一方、電流は、いわゆる慣性を有しており、急激には変化しない。本構成によれば、所定の切替周期以上で交互に電流値が偏重されるアンバランスモードで３レベルインバータがスイッチング制御されるので、上段バッテリ及び下段バッテリに一方に良好に電流偏重させることが可能となる。バッテリ群は低温時の効率が良くないが、例えば寒冷時に回転電機が長時間停止していた後に駆動されるような際など、バッテリ群の暖機が必要と判定された場合でも、アンバランスモードの実行により迅速にバッテリ群を暖機することが可能となる。即ち、複数のバッテリが直列接続されたバッテリ群のコンディションに応じて適切に３レベルインバータを制御し、効率良く回転電機を制御することが可能となる。
【０００９】
また、本発明に係る回転電機制御装置の前記スイッチング制御部は、前記アンバランスモードの実行中に前記バッテリ群の温度が所定の暖機完了温度以上となった場合には、前記中間スイッチを開いて前記アンバランスモードを終了すると好適である。バッテリセルを流れる電流と内部抵抗とにより生じるジュール熱は、いわゆる損失である。従って、バッテリ群が充分暖まり、暖機が必要ではなくなった場合には、そのような損失を抑制することが好ましい。この構成によれば、バッテリ群の温度が所定の暖機完了温度以上となった場合に、中間スイッチを開いてアンバランスモードを終了することによって迅速に損失が抑制される。その結果、バッテリ群のコンディションに応じて適切に３レベルインバータを制御し、効率良く回転電機を制御することが可能となる。
【００１０】
ここで、前記切替周期は、前記バッテリ群と前記３レベルインバータとの正極側配線及び負極側配線の配線インダクタンスと、前記正負両極間電圧を分圧するコンデンサのキャパシタンスとにより定まる時定数以上の値に設定されると好適である。上述したように、上段バッテリと下段バッテリとを流れる電流を何れか一方に偏重させることにより、一方のバッテリにおける電流を増加させて発熱が促進される。しかし、電流は、いわゆる慣性を有しており、急激には変化しない。例えば、その変化の度合いは、バッテリ群と３レベルインバータとを接続する配線や、境界部分での回路素子などに起因するバッテリ群と３レベルインバータとの入出力インピーダンスに影響される。本構成によれば、アンバランスモードの実行の際に交互に電流値を偏重させる切替周期がそのような入出力インピーダンスに基づいて設定される。即ち、バッテリ群と３レベルインバータとのの配線インダクタンスと、正負両極間電圧を分圧するコンデンサのキャパシタンスとにより定まる時定数に基づいて設定される。従って、確実に上段バッテリと下段バッテリとを流れる電流を何れか一方に偏重させることが可能となる。
【００１１】
また、本発明に係る回転電機制御装置は、前記上段バッテリ及び前記下段バッテリの状態を判定するバッテリ状態判定部をさらに備え、前記スイッチング制御部が、前記上段バッテリ及び前記下段バッテリの状態の差が少なくなるように前記上段バッテリ及び前記下段バッテリの使用割合を変更すると好適である。上段バッテリ及び下段バッテリの状態に応じて、両バッテリの使用割合を変更することで、バッテリ群のバランスが崩れてもバランスを回復させ、バッテリ群の機能を回復させることが可能となる。
【００１２】
また、本発明に係る回転電機制御装置の前記バッテリ状態判定部は、前記上段バッテリ及び前記下段バッテリの充電残量を判定する充電残量判定部をさらに備え、前記スイッチング制御部は、何れか一方のバッテリに充電が必要と判定された場合に、充電残量が多い方のバッテリから前記３レベルインバータに電力を供給させ、充電残量が少ない方のバッテリには前記３レベルインバータを介して電力を回生させると好適である。本発明に係る回転電機制御装置は、中間スイッチを設けたことによって、バッテリ群を上段バッテリと下段バッテリとに分割して、それぞれを独立して使用することが可能である。例えば、上段バッテリと下段バッテリとの何れかの充電残量が少なくなった場合、充電残量が少ない方のバッテリからの電流の持ち出しを抑制して、そのバッテリに対しては回生主体の制御とすることができる。これにより、バッテリ群のバランスを回復させ、バッテリ群の機能を回復させることが可能となる。即ち、バッテリ群のコンディションに応じて適切に３レベルインバータを制御し、効率良く回転電機を制御することが可能となる。
【００１３】
また、本発明に係る回転電機制御装置の前記バッテリ状態判定部は、前記上段バッテリ及び前記下段バッテリの故障状態を判定する故障状態判定部をさらに備え、前記スイッチング制御部は、前記上段バッテリが故障と判定された場合には、前記中間スイッチを閉じると共に前記下段バッテリを用いて前記３レベルインバータを２レベルインバータとしてスイッチング制御し、前記下段バッテリが故障と判定された場合には、前記中間スイッチを閉じると共に前記上段バッテリを用いて前記３レベルインバータを２レベルインバータとしてスイッチング制御すると好適である。上述したように、本発明に係る回転電機制御装置は、中間スイッチを設けたことによって、バッテリ群を上段バッテリと下段バッテリとに分割して、それぞれを独立して使用することが可能である。上段バッテリと下段バッテリとの何れかが故障した場合、故障した方のバッテリの影響を受けてバッテリ群の性能が著しく低下したり、バッテリ群そのものも機能できなくなったりする可能性がある。その結果、回転電機の制御にも大きな影響を与える可能性がある。しかし、本構成によれば、故障した側のバッテリを用いることなく、３レベルインバータを２レベルインバータとしてスイッチング制御することによって、回転電機の制御を継続することができる。即ち、バッテリ群のコンディションに応じて適切に３レベルインバータを制御し、効率良く回転電機を制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】車両のシステム構成例を模式的に示すブロック図
【図２】３レベルインバータの構成例を模式的に示す回路図
【図３】回転電機制御装置の構成例を模式的に示すブロック図
【図４】本発明の原理を模式的な等価回路を用いて示す図
【図５】本発明の原理を模式的な等価回路を用いて示す図（電流の偏重例）
【図６】バッテリ群の使用形態の判定処理例を示すフローチャート
【図７】ハーフバイポーラ変調の原理を示す波形図
【図８】トグル出力によるハーフバイポーラ変調の例を示す波形図
【図９】上段側に偏重させたハーフバイポーラ変調の例を示す波形図
【図１０】下段側に偏重させたハーフバイポーラ変調の例を示す波形図
【図１１】ユニポーラ変調及び同期変調の一例を示す波形図
【図１２】３レベルインバータの他の構成例を模式的に示す回路図
【図１３】３レベルインバータの他の構成例を模式的に示す回路図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る回転電機制御装置の実施形態を、ハイブリッド自動車や電気自動車などの車両の駆動源となる回転電機を制御するシステムを例として図面に基づいて説明する。この回転電機は、永久磁石埋込型の同期機であり、状況に応じて電動機又は発電機として機能する。以下、回転電機を適宜モータと称して説明するが、これは電動機及び発電機として機能する回転電機を指す。また、本発明に係る回転電機制御装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータとして、出力電圧が複数のレベルを有するマルチレベルインバータをスイッチング制御する。ここでは、マルチレベルインバータとして、出力電圧が３つのレベルを有する３レベルインバータを例として説明する。尚、以下においては、適宜、３レベルインバータを単にインバータと称して説明する。
【００１６】
図１に示すように、モータ（回転電機）９０は、インバータ（３レベルインバータ）６０を介してバッテリ（バッテリ群）３３に電気的に接続される。バッテリ３３は、複数のバッテリセル３０が直列に接続されたバッテリ群である。ここでは、直列接続されたバッテリセル３０の中間接続点から正極側を上段バッテリ３１と称し、中間接続点から負極側を下段バッテリ３２と称する。バッテリ群３３は、上段バッテリ３１と下段バッテリ３２とが直列接続されたものと見ることもできる。尚、上段バッテリ３１及び下段バッテリ３２は、共に少なくとも１つのバッテリセル３０を備えて構成される。つまり、上段バッテリ３１及び下段バッテリ３２は、それぞれ単一のバッテリセル３０により構成されても良いし、それぞれ複数のバッテリセル３０が直列接続されたバッテリ群により構成されても良い。当然ながら、上段バッテリ３１及び下段バッテリ３２の何れか一方が単一セルであり、他方がバッテリ群であっても良いし、共にバッテリ群である場合に直列接続されるバッテリセル３０の数が異なっていても良い。バッテリ群３３は、上段バッテリ３１と下段バッテリ３２とを含み、最小構成であっても２つのバッテリセル３０を備えて構成される。以下の説明においては、適宜バッテリ群３３を単にバッテリ３３と称して説明する。
【００１７】
モータ９０は、電動機として機能する際には、インバータ６０を介して電力の供給を受けて駆動力を発生する（力行動作）。一方、モータ９０が発電機として機能する際には、発電された交流電力がインバータ６０によって直流に変換され、バッテリ３３へ回生される（回生動作）。インバータ６０は、複数のスイッチング素子を有して構成される。スイッチング素子には、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）やＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect transistor）を適用すると好適である。図２に示すように、本実施形態では、スイッチング素子としてＩＧＢＴが用いられる。
【００１８】
インバータ６０は、図２に示すように、入力プラス側電圧（正極電圧）Ｐと入力マイナス側電圧（負極電圧）Ｎとの他、正負両極間が分圧された中間点の中間点電圧Ｍも出力可能な３レベルインバータである。図１及び図２に示すように、バッテリ３０の出力電圧、つまりインバータ６０の直流の正負両極間電圧Ｖｄｃは、定格容量が等価な第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２により分圧される。第１コンデンサ（正極側コンデンサ）Ｃ１は、正極Ｐと中間点Ｍとの間に備えられ、第２コンデンサ（負極側コンデンサ）Ｃ２は、負極Ｎと中間点Ｍとの間に備えられる。第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２は、定格容量が同じであるから、理想的には正負両極間電圧Ｖｄｃは、均等に分圧される。つまり、第１コンデンサＣ１の両端電圧（上段側電圧ＶｄｃＨ）及び第２コンデンサＣ２の両端電圧（下段側電圧ＶｄｃＬ）は、理想的には共にＶｄｃ／２である。
【００１９】
直流を３相交流に変換するインバータ６０は、３相それぞれに対応する３レッグのブリッジ回路により構成される。１つのレッグは、正極と負極との間に直列に接続された４つのＩＧＢＴと、正極の側の２つのＩＧＢＴの接続点と負極の側の２つのＩＧＢＴの接続点との間に、共に負極から正極の方向を順方向として直列に接続された２つのダイオードを有して構成される。当該２つのダイオードの接続点は中間点Ｍに接続される。４つのＩＧＢＴの直列回路は、正極側において直列に接続された正極側アームと、負極側において直列に接続された負極側アームとから構成される。４つのＩＧＢＴの直列回路における正極側アームと負極側アームとの接続点はモータ９０の各コイルに接続される。また、各ＩＧＢＴには、それぞれフリーホイールダイオード（回生ダイオード）が備えられる。フリーホイールダイオードは、カソード端子がＩＧＢＴのコレクタ端子に接続され、アノード端子がＩＧＢＴのエミッタ端子に接続される形でＩＧＢＴに対して並列に接続される。このようなレッグが、３回線並列接続され、モータのｕ相、ｖ相、ｗ相に対応するステータコイルＭｕ，Ｍｖ，Ｍｗのそれぞれに一組のレッグが対応したブリッジ回路が構成される。
【００２０】
具体的には、図２に示すように、ｕ相のレッグは、ＩＧＢＴＱ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４と、各ＩＧＢＴに接続されたフリーホイールダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４と、中間点電圧ＭをバイアスするダイオードＤ１５，Ｄ１６とを有して構成される。ｖ相のレッグは、ＩＧＢＴＱ２１，Ｑ２２，Ｑ２３，Ｑ２４と、各ＩＧＢＴに接続されたフリーホイールダイオードＤ２１，Ｄ２２，Ｄ２３，Ｄ２４と、中間点電圧ＭをバイアスするダイオードＤ２５，Ｄ２６とを有して構成される。ｗ相のレッグは、ＩＧＢＴＱ３１，Ｑ３２，Ｑ３３，Ｑ３４と、各ＩＧＢＴに接続されたフリーホイールダイオードＤ３１，Ｄ３２，Ｄ３３，Ｄ３４と、中間点電圧ＭをバイアスするダイオードＤ３５，Ｄ３６とを有して構成される。各ＩＧＢＴのゲートは、ドライバ回路５０を介してＥＣＵ（electronic control unit）２０に接続されており、それぞれ個別にスイッチング制御される。本実施形態では、他のＥＣＵと区別するために、ＥＣＵ２０をＴＣＵ（trans-axle control unit）２０と称する。
【００２１】
図１に示すように、ＴＣＵ２０は、マイクロコンピュータなどの論理回路を中核として構成される。本実施形態では、ＴＣＵ２０は、マイクロコンピュータであるＣＰＵ（central processing unit）４０と、インターフェース回路２１と、その他の周辺回路等とを有して構成される。インターフェース回路２１は、ＥＭＩ（electro-magnetic interference）対策部品やバッファ回路などにより構成される。ＣＰＵ４０は、ハードウェアとソフトウェアとの協働により、本発明の回転電機制御装置１０を実現する。高電圧をスイッチングするＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴのゲートに入力されるパルス状の駆動信号のハイレベルとローレベルとの電位差は、マイクロコンピュータなどの一般的な電子回路の駆動電圧よりも高い電圧である。従って、駆動信号は、ドライバ回路５０を介して電圧レベルを変換された後、インバータ６０に入力される。
【００２２】
ＣＰＵ４０は、ＣＰＵコア４１と、プログラムメモリ４２と、パラメータメモリ４３と、ワークメモリ４４とを有して構成される。その他、通信制御部や、Ａ／Ｄコンバータ、タイマ、ポートなども有しているが、一般的な事項であり、説明を容易にするため図示は省略する。ＣＰＵコア４１は、ＣＰＵ４０の中核であり、命令レジスタや命令デコーダ、種々の演算の実行主体となるＡＬＵ(arithmetic logic unit)、フラグレジスタ、汎用レジスタ、割り込みコントローラなどを有して構成される。プログラムメモリ４２は、回転電機制御プログラムなどが格納された不揮発性のメモリである。パラメータメモリ４３は、プログラムの実行の際に参照される種々のパラメータが格納された不揮発性のメモリである。尚、パラメータメモリ４３は、プログラムメモリ４２に含められていてもよい。プログラムメモリ４２やパラメータメモリ４３は、例えばフラッシュメモリなどによって構成されると好適である。ワークメモリ４４は、プログラム実行中の一時データを一時記憶するメモリである。ワークメモリ４４は、揮発性で問題なく、高速にデータの読み書きが可能なＤＲＡＭ（dynamic RAM）やＳＲＡＭ（static RAM）により構成される。
【００２３】
通信制御部は、車両内の他のシステムとの通信を制御する。本実施形態では、車両内のネットワークであるＣＡＮ（controller area network）８０を介して、走行制御システム７０やその他のシステム、センサ等との通信を制御する。走行制御システム７０は、ＴＣＵ２０と同様に、ＣＰＵなどの電子回路を中核として構成され、周辺回路と共にＥＣＵとして構成される。Ａ／Ｄコンバータは、アナログの電気信号をデジタルデータに変換する。例えば、モータ９０の各ステータコイルＭｕ，Ｍｖ，Ｍｗに流れるモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの検出結果が電流センサ３５からアナログ値として出力される際には、当該アナログ値をデジタル値に変換する。また、上段側電圧ＶｄｃＨや下段側電圧ＶｄｃＬ、正負両極間電圧Ｖｄｃが、アナログ値として電圧センサ３４から出力される際には、当該アナログ値をデジタル値に変換する。尚、ｕ相、ｖ相、ｗ相の３相は平衡しており、その瞬時値はゼロであるので、２相分のみの電流を検出し、残る１相はＣＰＵ４０において演算により求めてもよい。本実施形態では、３相の全てが検出される場合を例示している。尚、電流や電圧の検出値を取得する周期（検出分解能）と、ＣＰＵ４０の演算周期とは必ずしも一致しないので、ＣＰＵ４０は当該検出値に適宜フィルタを掛けたり、平均化したりして演算に利用する。
【００２４】
タイマは、ＣＰＵ４０のクロック周期を最小分解能として時間を計測する。例えば、タイマは、プログラムの実行周期を監視し、ＣＰＵコア４１の割り込みコントローラに通知する。また、タイマは、ＩＧＢＴを駆動するゲート駆動信号の有効時間を計測して、当該ゲート駆動信号を生成する。ポートは、ＩＧＢＴのゲート駆動信号などをＣＰＵ４０の端子を介して出力したり、ＣＰＵ４０に入力される回転検出センサ３７からの回転検出信号Ｒを受け取ったりする端子制御部である。回転検出センサ３７は、モータ９０の近傍に設置されてモータ９０のロータの回転位置や回転速度を検出するセンサであり、例えば、レゾルバなどを用いて構成される。
【００２５】
バッテリセンサ３６は、バッテリ３３の動作状態を判定するために、バッテリ３３の物理情報を検出するセンサである。具体的には、バッテリ３３の温度や充電残量、故障の有無などである。バッテリセンサ３６の検出結果ＢＣは、ＣＰＵ４０に伝達され、図３に基づいて後述する動作状態判定部１４（暖機判定部１１、バッテリ状態判定部１２（充電残量判定部１２ａ、故障状態判定部１２ｂ））においてバッテリ３３の動作状態が判定される。尚、バッテリセンサ３６は、バッテリ３３の動作状態の判定までを実施する形態であってもよく、この場合には動作状態の判定結果がＣＰＵ４０に伝達される。また、この場合には、バッテリセンサ３６は、本発明の動作状態判定部（暖機判定部、充電残量判定部、故障状態判定部）に相当する。
【００２６】
本実施形態において、回転電機制御装置１０は、ＣＰＵ４０を中核として構成される。つまり、回転電機制御装置１０は、ＣＰＵコア４１を主として、ワークメモリ４４なども含むハードウェアと、プログラムメモリ４２やパラメータメモリ４３に格納されたプログラムやパラメータなどのソフトウェアとの協働により実現される。但し、回転電機制御装置１０の実施態様は、このようなハードウェアとソフトウェアとの協働に限定されるものではなく、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）などを利用してハードウェアのみで構成されることを妨げるものではない。
【００２７】
ところで、交流モータを制御する方法として、ベクトル制御と呼ばれる制御方法が知られている。ベクトル制御では、交流モータの３相（多相）各相のステータコイルに流れるコイル電流を、回転子に配置された永久磁石が発生する磁界の方向であるｄ軸と、ｄ軸に直交するｑ軸とのベクトル成分に座標変換してフィードバック制御を行う。本実施形態の回転電機制御装置１０も、このベクトル制御を採用している。図３に示すように、回転電機制御装置１０は、電流指令演算部１５、電圧指令演算部１６、スイッチング制御部１７、回転状態演算部１８、力行／回生判別部１９などの機能部を有して構成される。各機能部は、本実施形態においては、上述したようにハードウェアとソフトウェアとの協働により実現される。
【００２８】
電流指令演算部１５は、走行制御システム７０から与えられる要求トルクＴｒに基づいて電流指令を演算する機能部である。電圧指令演算部１６は、電流指令とフィードバックされたモータ電流（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）との偏差に基づいて比例積分制御（ＰＩ制御）や、比例微積分制御（ＰＩＤ制御）を行い、電圧指令を演算する機能部である。スイッチング制御部１７は、電圧指令に基づいてインバータ６０を制御するための変調パターンを生成し、この変調パターンに基づいてインバータ６０のＩＧＢＴを駆動するゲート駆動信号を生成する機能部である。尚、インバータ６０は、モータ９０が力行動作する際には直流を交流変換し、回生動作する際には交流を直流変換する。本実施形態においては、モータ電流（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）およびモータの相電圧（Ｖｄｃ，ＶｄｃＨ，ＶｄｃＬ）に基づいて、力行／回生を判別するための力行／回生判別部１９が備えられている。
【００２９】
ベクトル制御における座標変換に際しては、モータの回転状態をリアルタイムで知る必要がある。従って、図１に示すように、モータ９０の近傍にレゾルバなどの回転検出センサ３７が備えられる。その検出結果は、上述したように、インターフェース回路３１を介して、ＣＰＵコア４１内のレジスタやワークメモリ４４に伝達される。回転状態演算部１８は、回転検出センサ３７の検出結果Ｒに基づいて、ロータ位置（電気角θ）や、回転速度（角速度ω）を求める。求められた電気角θや角速度ωは、回転電機制御装置１０の各部において用いられる。レゾルバなどの回転検出センサ３７が、ＣＰＵ４０が演算に利用可能な形態でロータ位置や回転速度の情報を提供する場合には、回転状態演算部１８が設けられなくてもよい。詳細は後述するが、スイッチング制御部１７は、複数の変調方式による変調が可能に構成されている。
【００３０】
ところで、図１に示すように、本実施形態においては、バッテリ３３とインバータ６０との間にスイッチＳｐ，Ｓｍ，Ｓｎが備えられている。スイッチＳｍは、バッテリ３３の中間接続点（上段バッテリ３１と下段バッテリ３２との接続点）と正負両極間電圧の分圧点とを結び、中間接続点と分圧点との電気的接続を開閉可能な中間スイッチである。スイッチＳｐは、バッテリ３３の正極とインバータ６０の正極とを結び、両正極間の電気的接続を開閉可能な上段スイッチである。スイッチＳｎは、バッテリ３３の負極とインバータの負極とを結び、両負極間の電気的接続を開閉可能な下段スイッチである。これら、３つのスイッチＳｐ，Ｓｍ，Ｓｎは、ＴＣＵ２０（回転電機制御装置１０）により開閉制御される。好ましくは、リレーなどの電気制御可能な機械式のスイッチである。
【００３１】
これらのスイッチＳｐ，Ｓｍ，Ｓｎを有すること、特に中間スイッチＳｍを有することによって回転電機制御装置１０は、バッテリ３３を単一のバッテリとして使用するだけに留まらず、上段バッテリ３１と下段バッテリ３２とを個別に使用することが可能である。そのような使用形態として、本実施形態では、アンバランスモード、片側優先モード、単独使用モードを例示する。尚、バッテリ３３を単一のバッテリとして使用する形態は、これらと区別するために、通常モード（バランスモード）と称する。以下、各モードの原理について説明する。
【００３２】
はじめに、「アンバランスモード」について説明する。アンバランスモードは、バッテリ３３の温度が低く、早急に暖機（余熱）が必要な場合に実施される制御モード（動作モード）である。一般的に、バッテリ（二次電池）は低温時には、不活性な状態となるために定格電力を出力することができず、本来のパフォーマンスを発揮することができない。特に、寒冷時に自動車が長く停車しており、回転電機も長時間停止していたような場合には、バッテリ３３も冷えており、不活性な状態である。そこで、アンバランスモードにより、バッテリ３３の暖機が実施される。
【００３３】
図４及び図５は、バッテリ３３からインバータ６０への電力供給回路の等価回路を模式的に示している。バッテリ３３は通常、内部抵抗を有しており、図４及び図５には、それぞれ上段バッテリ３１の内部抵抗Ｒ１、下段バッテリ３２の内部抵抗Ｒ２を示している。また、バッテリ３３とインバータ６０との配線は、通常、配線インダクタンスを有している。図４及び図５には、バッテリ３０とインバータ６０との正極側配線の配線インダクタンスＬ１、負極側配線の配線インダクタンスＬ２を示している。尚、図４及び図５においては、図示及び説明を簡略化するために、バッテリ３３とインバータ６０との間に中間スイッチＳｍだけが備えられる例を示している。
【００３４】
図４に示すように、中間スイッチＳｍが開放されている場合には、バッテリ３３とインバータ６０とは、正極側配線と負極側配線とによって接続されている。上段バッテリ３１と下段バッテリ３２とは直列接続されているから、上段バッテリ３１を流れる電流と、下段バッテリ３２を流れる電流とは等しい。ここで、上下段バッテリ３１，３２それぞれの端子間電圧（バッテリ電圧）を共にＶｂａｔとし、電力（仕事率）をＰｂａｔとすると、バッテリ３３を流れる電流ｉａｂは以下となる。
【００３５】
【数１】
2012023901.tif 000003
【００３６】
上段バッテリ３１及び下段バッテリ３２の内部抵抗Ｒ１，Ｒ２を共にＲｂａｔとすると、バッテリ３３の内部抵抗（合成内部抵抗）での損失（発熱）Ｗｂａｔは、以下となる。また、上段バッテリ３１における損失Ｗａ１及び下段バッテリ３２における損失Ｗｂ１は、内部抵抗Ｒ１，Ｒ２が共にＲｂａｔであれば同じ損失Ｗ１（＝Ｗｂａｔ／２）となる。
【００３７】
【数２】
2012023901.tif 000004
【００３８】
ここで、図５に示すように、中間スイッチＳｍを閉じ（close/on）、上段バッテリ３１を流れる電流ｉａと下段バッテリ３２を流れる電流ｉｂとが異なるアンバランスな状態を交互に発生させる。つまり、図５（ａ）に示すように上段バッテリ３１を流れる電流ｉａが下段バッテリ３２を流れる電流ｉｂよりも多くなる状態と、図５（ｂ）に示すように下段バッテリ３２を流れる電流ｉｂが上段バッテリ３３を流れる電流ｉａよりも多くなる状態とを交互に発生させる。ここで、極端なケースとして、図５（ａ）においては下段バッテリ３２を流れる電流ｉｂがゼロであり、図５（ｂ）においては上段バッテリ３１を流れる電流ｉａがゼロであるとする。同じ電力（仕事率）Ｐｂａｔの仕事を行うとすれば、図５（ａ）において上段バッテリ３１を流れる電流ｉａ（＝ｉａ２）と、図５（ｂ）においては下段バッテリ３２を流れる電流ｉｂ（＝ｉｂ２）とは、以下に示すように中間スイッチＳｍが開放状態の時の電流Ｉａｂの２倍となる。
【００３９】
【数３】
2012023901.tif 000005
【００４０】
図５（ａ）における上段バッテリ３１の内部抵抗Ｒ１での損失（発熱）Ｗａ２、及び図５（ｂ）における下段バッテリ３２の内部抵抗Ｒ２での損失（発熱）Ｗｂ２は、以下となる。
【００４１】
【数４】
2012023901.tif 000006
【００４２】
図５（ａ）の状態と図５（ｂ）の状態とを交互に繰り返した場合の「バッテリ群３３」としての損失の平均値Ｗ２は、以下となる。
【００４３】
【数５】
2012023901.tif 000007
【００４４】
即ち、理論的には、図４の構成に比べてバッテリ３３における発熱（ジュール熱の発生）を最大２倍にまで高めることが可能である。但し、発熱は損失でもあるから、効率は低下することになる。従って、バッテリ３３の温度が充分上昇し、暖機が完了した時点で速やかに通常モード（バランスモード）に復帰することが望ましい。具体的には、スイッチング制御部１７は、アンバランスモードの実行中にバッテリ３３の温度が所定の暖機完了温度以上となった場合に、中間スイッチを開放（open/off）してアンバランスモードを終了させる。そして、上下段バッテリ３１，３２を流れる電流を等しくすることで、バッテリ３３における損失を最小とする。
【００４５】
図５（ａ）の状態と図５（ｂ）の状態とを交互に繰り返す際には、上段バッテリ３１及び下段バッテリ３２をそれぞれ流れる電流値が所定の切替周期以上で交互に偏重される。即ち、スイッチング制御部１７は、両バッテリ３１，３２を流れる電流が偏る程度までゆっくりとした周波数で上段の電力を大きく使用するモード（図５（ａ））と、下段の電力を大きく使用するモード（図５（ｂ））とを切り換えて３レベルインバータ６０をスイッチング制御する。切替周期は、バッテリ３３とインバータ６０との正極側配線及び負極側配線の配線インダクタンスＬ１，Ｌ２と、正負両極間電圧を分圧するコンデンサＣ１，Ｃ２のキャパシタンスとにより定まる時定数以上の値に設定されると好適である。
【００４６】
次に、「片側優先モード」並びに「単独使用モード」について順に説明する。上述したように、バッテリ３３の動作状態を判定する動作状態判定部１４は、暖機判定部１１、バッテリ状態判定部１２を備えて構成される。バッテリ状態判定部１２は、上段バッテリ３１及び下段バッテリ３２の状態を判定する機能部である。例えば、バッテリの内部抵抗値の増加からバッテリの劣化を判定したり、何れか一方のバッテリ温度だけが高い場合に異常状態を判定したり、断線・短絡を含む故障を判定したり、後述するＳＯＣを判定したりする。スイッチング制御部１７は、バッテリ状態判定部１２の判定結果に基づいて、上段バッテリ３１及び下段バッテリ３２の状態の差が少なくなるように上段バッテリ３１及び下段バッテリ３２の使用割合を変更するスイッチング制御を実行する。「片側優先モード」並びに「単独使用モード」は、そのようなスイッチング制御の一例である。本実施形態では、図３に示すように、バッテリ状態判定部１２が、充電残量判定部１２ａ及び故障状態判定部１２ｂを備える構成を例示している。以下に説明するように、充電残量判定部１２ａ及び故障状態判定部１２ｂの判定結果に基づいて、「片側優先モード」及び「単独使用モード」が実行される。
【００４７】
まず、「片側優先モード」について説明する。アンバランスモードを実行し、バッテリ３３の温度が充分上昇して暖機が完了した時点において、上下段バッテリ３１，３２の充電状態（ＳＯＣ：state of charge＝残容量[Ah]／満充電容量[Ah]）が等しくない場合がある。この場合には、両バッテリ３１，３２のＳＯＣをほぼ一致させた上で（両ＳＯＣを所定の許容差の範囲に収めた上で）、通常モードに復帰させると好適である。この際、片側優先モードが実行されると好適である。また、上段バッテリ３１及び下段バッテリ３２の充電残量を判定する充電残量判定部１２ａの判定結果に基づいて、何れか一方のバッテリに充電が必要と判定された場合に、充電残量が多い方のバッテリから３レベルインバータに電力を供給させ、充電残量が少ない方のバッテリには３レベルインバータを介して電力を回生させると好適である。例えば、上下段バッテリ３１，３２のＳＯＣに許容差を超える差があることが判定された場合に、片側優先モードが実行されてもよい。あるいは、上下段バッテリ３１，３２の何れか一方のＳＯＣが残量しきい値未満である場合に片側優先モードが実行されてもよい。
【００４８】
一例として、スイッチング制御部１７は、上下段バッテリ３１，３２の何れか一方の充電残量が残量しきい値以上であり、他方の充電残量が残量しきい値未満である場合に片側優先モードを実行する。スイッチング制御部１７は、中間スイッチＳｍを閉じ、充電残量が残量しきい値以上のバッテリからインバータ６０に電力を供給させ、充電残量が残量しきい値未満のバッテリにはインバータ６０を介して電力を回生させる。例えば、下段バッテリ３２の充電残量が残量しきい値未満である場合に、力行時には、正極電圧Ｐと中間電圧Ｍとを出力する２レベルインバータとして３レベルインバータ６０がスイッチング制御される。つまり、上段バッテリ３１のみから電力を供給する。一方、回生時には中間電圧Ｍと負極電圧Ｎとに整流する２レベルインバータとして３レベルインバータ６０がスイッチング制御される。つまり、下段バッテリ３２に優先的に電力を回生する。上段バッテリ３１の充電残量が残量しきい値未満である場合も同様である。
【００４９】
次に、「単独使用モード」について説明する。単独使用モードは、中間スイッチＳｍを閉じると共に上下段バッテリ３１，３２の何れか一方のバッテリのみを単独で用いて、３レベルインバータ６０を２レベルインバータとしてスイッチング制御するモードである。つまり、スイッチング制御部１７は、上下段バッテリ３１，３２の故障状態を判定する故障状態判定部１２ｂにより上段バッテリ３１が故障と判定された場合には、中間スイッチＳｍを閉じると共に下段バッテリ３２を単独で用いて３レベルインバータ６０を２レベルインバータとしてスイッチング制御する。また、スイッチング制御部１７は、下段バッテリ３２が故障と判定された場合には、中間スイッチＳｍを閉じると共に上段バッテリ３１を単独で用いて３レベルインバータ６０を２レベルインバータとしてスイッチング制御する。
【００５０】
好適には、スイッチング制御部１７は、上段バッテリ３１が故障と判定された場合には、中間スイッチＳｍを閉じると共に上段バッテリ３１を切り離し、下段バッテリ３２が故障と判定された場合には、中間スイッチＳｍを閉じると共に下段バッテリ３２を切り離すとよい。この際、図１に示すように、中間スイッチＳｍに加えて、バッテリ３３の正極とインバータ６０の正極とを結び、両正極間の電気的接続を開閉可能な上段スイッチＳｐと、バッテリ３３の負極とインバータ６０の負極とを結び、両負極間の電気的接続を開閉可能な下段スイッチＳｎとがさらに備えられていると好適である。スイッチング制御部１７の制御によって、上下段バッテリ３１，３２の何れか一方を切り離し、他方のみを単独で用いて２レベルインバータとしてインバータ６０をスイッチング制御することも可能である。しかし、中間スイッチＳｍに加えて上段スイッチＳｐ及び下段スイッチＳｎの何れか一方又は双方が備えられていれば、より確実に使用しない方のバッテリを切り離すことが可能となる。
【００５１】
尚、片側優先モード及び単独使用モードにおいては、力行時に電力を供給可能なバッテリが上下段バッテリ３１，３２の内の何れか一方に制約される。従って、モータ９０の出力は制限されることになる。しかし、バッテリ３３に何らかの支障が生じた場合においても、モータ９０の駆動を継続できる。従って、駆動源として内燃機関も搭載されたハイブリッド車両であれば、燃料消費率の低下は生じたとしても、自動車の走行を継続させることができる。また、駆動源として回転電機のみが搭載された電気自動車であっても、例えば低速走行によって修理工場や安全な場所まで速やかに移動させることができる。
【００５２】
上述したように、バッテリ３３の使用形態として、アンバランスモード、片側優先モード、単独使用モード、そして通常モード（バランスモード）があるが、これらのモードが選択される処理の一例を図６のフローチャートを用いて説明する。
【００５３】
はじめに、上下段バッテリ３１，３２が使用可能であるか否かが動作状態判定部１４によって、特に故障状態判定部１２ｂによって判定される（＃１，＃２，＃６）。上下段バッテリ３１，３２が共に使用不可能であると判定された場合（＃１：Ｎｏ，＃６：Ｎｏ）には、バッテリ３３は使用不可であると判定される（＃１８）。即ち、モータ９０を制御できないと判定される。上段バッテリ３１が使用不可能で下段バッテリ３２が使用可能であると判定された場合（＃１：Ｎｏ，＃６：Ｙｅｓ）には、下段バッテリ３２のみの単独使用モードが選択される（＃１７）。下段バッテリ３２が使用不可能で上段バッテリ３１が使用可能であると判定された場合（＃１：Ｙｅｓ，＃２：Ｎｏ）には、上段バッテリ３１のみの単独使用モードが選択される（＃１６）。尚、ステップ＃１，＃２に代表されるような、上段バッテリ３１に関する判定と下段バッテリ３２に関する判定との順序は図６に例示する順序に限らず、逆であっても構わない。当然ながら、ステップ＃３と＃４との順序も逆であっても構わない。
【００５４】
上下段バッテリ３１，３２が共に使用可能である場合（＃１：Ｙｅｓ，＃２：Ｙｅｓ）には、次に上下段バッテリ３１，３２のＳＯＣが残量しきい値ＴＨｓｏｃ以上であるか否かが動作状態判定部１４によって、特に充電残量判定部１２ａによって判定される（＃３，＃４，＃７）。上下段バッテリ３１，３２のＳＯＣが共に残量しきい値ＴＨｓｏｃ未満であると判定された場合（＃３：Ｎｏ，＃７：Ｎｏ）には、バッテリ３３はいわゆるバッテリ上がりの状態であり、使用不可であると判定される（＃１５）。即ち、モータ９０を制御できないと判定される。上段バッテリ３１のＳＯＣが残量しきい値ＴＨｓｏｃ未満で下段バッテリ３２のＳＯＣが残量しきい値ＴＨｓｏｃ以上であると判定された場合（＃３：Ｎｏ，＃７：Ｙｅｓ）には、下段バッテリ３２を用いて力行させ、上段バッテリ３１に優先的に回生させて上段バッテリ３１のＳＯＣを回復させる片側優先モードが選択される（＃１４）。下段バッテリ３２のＳＯＣが残量しきい値ＴＨｓｏｃ未満で上段バッテリ３１のＳＯＣが残量しきい値ＴＨｓｏｃ以上であると判定された場合（＃３：Ｙｅｓ，＃４：Ｎｏ）には、上段バッテリ３１を用いて力行させ、下段バッテリ３２に優先的に回生させて下段バッテリ３２のＳＯＣを回復させる片側優先モードが選択される（＃１３）。尚、ここでは、上下段バッテリ３１，３２のＳＯＣが共通の残量しきい値ＴＨｓｏｃに基づいて判定される場合を例示したが、それぞれ異なる残量しきい値に基づいて判定されることを妨げるものではない。
【００５５】
上下段バッテリ３１，３２のＳＯＣが共に共に残量しきい値ＴＨｓｏｃ以上である場合（＃３：Ｙｅｓ，＃４：Ｙｅｓ）には、次にバッテリ３３の温度が低温であるか否かが判定される（＃５）。具体的には、バッテリ３３の温度が所定の暖機完了温度未満であるか否かが判定される。バッテリ３３の温度が低温であると判定された場合（＃５：Ｙｅｓ）にはアンバランスモードが選択され、バッテリ３３が暖機される（＃１１）。バッテリ３３の温度が低温ではないと判定された場合（＃５：Ｎｏ）には、通常モード（バランスモード）が選択される。尚、図６に示すフローチャートは繰り返し実行される。従って、アンバランスモードが選択され、スイッチング制御部１７がアンバランスモードに従ってインバータ６０の制御を実行している際に、バッテリ３３の温度が暖機完了温度に達すると、ステップ＃５の判定においてＮｏに分岐し、通常モードが選択される。つまり、アンバランスモードが終了される。当然ながら、片側優先モード、単独使用モードにおいても、それぞれのモードの実行中において、ＳＯＣが回復する、故障状態から復帰するなど、バッテリの動作状態が変化した場合には他のモードに遷移され得る。
【００５６】
以下、アンバランスモードや片側優先モード、単独動作モードにより３レベルインバータ６０をスイッチング制御することが可能な種々の変調方式について説明する。
【００５７】
まず、図７〜図１０を用いて、ハーフバイポーラ変調について説明する。このハーフバイポーラ変調の変調パターンは、上段側スイッチングパルスＳＰ１と下段側スイッチングパルスＳＰ２とが組み合わされたものである。上段側スイッチングパルスＳＰ１は、図７（ａ）に示すように、出力電圧が中間点電圧Ｍとなる状態と正極電圧Ｐとなる状態とを切り換えるパルスである。上段側スイッチングパルスＳＰ１は、所定のキャリア周期Ｔごとに生成される。下段側スイッチングパルスＳＰ２は、図７（ｂ）に示すように、出力電圧が中間点電圧Ｍとなる状態と負極電圧Ｎとなる状態とを切り換えるパルスである。下段側スイッチングパルスＳＰ２も、所定のキャリア周期Ｔごとに生成される。
【００５８】
上段側スイッチングパルスＳＰ１は、図７（ａ）において破線で示す所定の第１キャリア（第１三角波）ＭＷ１と電圧指令ＩＳ１とを比較することによって生成される。つまり、上段側スイッチングパルスＳＰ１は、公知の三角波比較法により生成される。図７において三角波で例示される第１キャリアＭＷ１の１周期において、中間点電圧Ｍを基準として正極電圧Ｐの方向へ１つのパルスが生成される。つまり、このパルスは、第１キャリアＭＷ１のピーク−ピーク間（１周期）において、中間点電圧Ｍ、正極電圧Ｐ、中間点電圧Ｍの順に状態（電圧レベル）が遷移する波形となる。電圧指令ＩＳ１は、波高がＶｄｃ／２までの電圧指令ＩＳが正極側にオフセットされたものであり、中間点電圧Ｍと正極電圧Ｐとの間に収まる。ここでは、そのオフセット量はＶｄｃ／４である。
【００５９】
同様に、下段側スイッチングパルスＳＰ２も、公知の三角波比較法により生成される。具体的には、図７（ｂ）において一点鎖線で示す所定の第２キャリア（第２三角波）ＭＷ２と電圧指令ＩＳ２とを比較することによって生成される。三角波で例示される第２キャリアＭＷ２の１周期において、中間点電圧Ｍを基準として負極電圧Ｎの方向へ１つのパルスが生成される。つまり、このパルスは、第２キャリアＭＷ２のボトム−ボトム間（１周期）において、中間点電圧Ｍ、負極電圧Ｎ、中間点電圧Ｍの順に状態（電圧レベル）が遷移する波形となる。電圧指令ＩＳ２は、波高がＶｄｃ／２までの電圧指令ＩＳが負極側にオフセットされたものであり、中間点電圧Ｍと負極電圧Ｎとの間に収まる。ここでは、そのオフセット量はＶｄｃ／４である。
【００６０】
第１キャリアＭＷ１と第２キャリアＭＷ２とは共にキャリア周期がＴであり、同期した信号である。また、第１キャリアＭＷ１及び第２キャリアＭＷ２は、互いにピークとボトムとのタイミングが相補的に一致して振幅方向に互いに反転した信号である。ここでは、第１キャリアＭＷ１のピークとピークとの間（第２キャリアＭＷ２のボトムとボトムとの間）においてスイッチングパルスが生成される例を示したが、当然、第２キャリアＭＷ１のピークとピークとの間（第１キャリアＭＷ１のボトムとボトムとの間）においてスイッチングパルスが生成されてもよい。尚、ここでは、キャリアがいわゆる正三角波の場合を例示したが、当然、のこぎり波であってもよい。
【００６１】
上段側スイッチングパルスＳＰ１と下段側スイッチングパルスＳＰ２とは、キャリア周期Ｔごとに何れか一方が選択されて出力される。一例として、上段側スイッチングパルスＳＰ１と下段側スイッチングパルスＳＰ２とは交互に出力される。図８は、上段側スイッチングパルスＳＰ１と下段側スイッチングパルスＳＰ２とが交互に出力される場合、いわゆるトグル出力時の例を示している。周期Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５，Ｔ７においては、下段側スイッチングパルスＳＰ２が選択され、周期Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６においては、上段側スイッチングパルスＳＰ１が選択される。尚、図８では、理解を容易にするために、電圧指令ＩＳの周期の一部を拡大して例示している（図９及び図１０も同様。）。
【００６２】
スイッチングパルスは、第１キャリアＭＷ１のピーク（第２キャリアＭＷ２のボトム）において切り換えられる。このタイミングにおいて、上段側スイッチングパルスＳＰ１及び下段側スイッチングパルスＳＰ２のパルスの状態（電圧レベル）は、共に中間点電圧Ｍであるから、円滑にスイッチングパルスが切り換えられることになる。尚、当然ながら、第２キャリアＭＷ１のピークとピークとの間（第１キャリアのボトムとボトムとの間）においてスイッチングパルスが生成される場合には、第２キャリアＭＷ２のピーク（第１キャリアＭＷ１のボトム）においてスイッチングパルスが切り換えられる。
【００６３】
パルス選択の他の例は、上段側スイッチングパルスＳＰ１と下段側スイッチングパルスＳＰ２との出力頻度が異なる例である。例えば、バランスモード（通常モード）の実行中に、正負両極間電圧Ｖｄｃが分圧された上段側電圧ＶｄｃＨ及び下段側電圧ＶｄｃＬの値が均等ではない場合に、これを均等な電圧に調整するため、何れかのパルスを優先させることができる。反対に、アンバランスモードの実行中に何れかのパルスを優先させることによって、上下段バッテリ３１，３２の何れかの消費電流を偏重させることもできる。選択指令である。図９は、上段側スイッチングパルスＳＰ１が優先される場合の例を示している。比較が容易なように、図８と同様の波形を用いている。周期Ｔ３及びＴ５において、下段側スイッチングパルスＳＰ２に代わって、上段側スイッチングパルスＳＰ１が出力されている。図１０は、下段側スイッチングパルスＳＰ２が優先される場合の例を示している。比較が容易なように、図８と同様の波形を用いている。周期Ｔ２及びＴ４において、上段側スイッチングパルスＳＰ１に代わって、下段側スイッチングパルスＳＰ２が出力されている。
【００６４】
極端な例として、図７（ａ）に示すような上段側スイッチングパルスＳＰ１のみが選択されれば、第１コンデンサＣ１のみから電力が供給される。中間スイッチＳｍが閉じられていれば、上段バッテリ３１のみから電力が供給されることになる。反対に、図７（ｂ）に示すような下段側スイッチングパルスＳＰ２のみが選択されれば、第２コンデンサＣ２のみから電力が供給される。中間スイッチＳｍが閉じられていれば、下段バッテリ３２のみから電力が供給されることになる。アンバランスモード、片側優先モード、単独使用モードは、上段側スイッチングパルスＳＰ１及び下段側スイッチングパルスＳＰ２何れか単独の選択や、任意の割合による組み合わせよって実現される。
【００６５】
次に、ユニポーラ変調について説明する。ユニポーラ変調は、図１１に示すように、電圧指令ＩＳの半周期の一方側で中間点電圧Ｍと正極電圧Ｐとを切り換え、半周期の他方側で中間点電圧Ｍと負極電圧Ｎとを切り換える変調方式である。このユニポーラ変調において、空間ベクトルＰＷＭ（ＳＶＰＷＭ：space vector PWM）や不連続ＰＷＭ（ＤＰＷＭ：discontinuous PWM）が実行される。ＳＶＰＷＭやＤＰＷＭを用いてアンバランスモードを実現する方法について説明する。説明に先立って、ｕ，ｖ，ｗ相の３相電圧指令を示す関数を下記のように定義する。θは、モータ９０の磁極位置であり、上述した電気角θに対応する。φは、各相の相対的な位相差であり、ここではｕ相を基準としている。
【００６６】
【数６】
2012023901.tif 000008
【００６７】
この関数には最も基本的な正弦波ＰＷＭ（ＳＰＷＭ：sinusoidal PWM）やＳＶＰＷＭ、ＤＰＷＭなどの各種変調方式を適用することができる。アンバランスモードでは用いないが、上記関数に正弦波ＰＷＭを適用すると以下のｆＳとなる。ここで、Ｍｉは、変調率である。変調率とは、インバータ６０からの出力の目標となる３相交流の線間電圧の実効値の、正負両極間電圧Ｖｄｃに対する割合を示す値である。この最大変調率は、変調方式によって異なる値である。例えば、正弦波ＰＷＭの最大変調率は約６１％、ＳＶＰＷＭやＤＰＷＭでは約７１％である。
【００６８】
【数７】
2012023901.tif 000009
【００６９】
ＳＶＰＷＭの場合には以下の関数ｆＳＶとなる。
【００７０】
【数８】
2012023901.tif 000010
【００７１】
上記関数ｆＳＶは、バランスモード（通常モード）時を表しており、アンバランスモードに適用する際には、下記のように、ΔＶが加味される。ΔＶの取り得る範囲は以下のとおりである。
【００７２】
【数９】
2012023901.tif 000011
【００７３】
ここで、ΔＶ＜０の場合には下段バッテリ３２を流れる電流が多くなり、ΔＶ＞０の場合には上段バッテリ３１を流れる電流が多くなる。アンバランスモードの実施に際しては、上記式のように、ΔＶを加味した電圧指令値を計算してもよいし、ΔＶを加味せずに電圧指令値を計算し、アンバランスモードとバランスモードとの差分を実際のスイッチングパルス生成時に補正してもよい。
【００７４】
次に、ＤＰＷＭの電圧指令値の関数ｆＤを下記に示す。
【００７５】
【数１０】
2012023901.tif 000012
【００７６】
上記関数ｆＤは、バランスモード（通常モード）時を表しており、アンバランスモードに適用する際には、以下に示すようにΔθ，ΔＶが定義される。下記式は、上段バッテリ３１を流れる電流が多くなる場合のΔθ，ΔＶの定義である。
【００７７】
【数１１】
2012023901.tif 000013
【００７８】
下記式は、下段バッテリ３２を流れる電流が多くなる場合のΔθ，ΔＶの定義である。
【００７９】
【数１２】
2012023901.tif 000014
【００８０】
以上、説明したように、本発明によれば、複数のバッテリセルが直列接続されたバッテリ群のコンディションに応じて適切に３レベルインバータを制御し、効率良く回転電機を制御することが可能となる。ここで、３レベルインバータ６０を上段側のみ、又は下段側のみの２レベルインバータとしてスイッチング制御する際のスイッチング素子のスイッチング形態について補足しておく。
【００８１】
図２に示す３レベルインバータ６０を上段側のみの２レベルインバータとして用いる場合について説明する。まず、ＩＧＢＴ（スイッチング素子）Ｑ１４，Ｑ２４，Ｑ３４を常時開放状態、つまりオフ固定とすることによって、負極電圧Ｎと出力端Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗとを分離し、下段側の負極を中間点電圧Ｍとする。また、ＩＧＢＴＱ１２，Ｑ２２，Ｑ３２を常時導通状態、つまりオン固定とすることによって、上段側のスイッチング素子がＩＧＢＴＱ１１，Ｑ２１，Ｑ３１の１段となるようにする。この状態で、ＩＧＢＴＱ１１，Ｑ２１，Ｑ３１及びＩＧＢＴＱ１３，Ｑ２３，Ｑ３３を相補的にスイッチング（オン／オフ）制御することによって、出力端Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗには正極電圧Ｐと中間点電圧Ｍとの間の電圧が出力される。つまり、３レベルインバータ６０は上段側のみの２レベルインバータとしてスイッチング制御される。
【００８２】
下段側のみの２レベルインバータとして用いる場合も同様である。ＩＧＢＴＱ１１，Ｑ２１，Ｑ３１が常時開放状態、つまりオフ固定とされ、正極電圧Ｐと出力端Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗとが分離され、上段側の正極が中間点電圧Ｍとされる。ＩＧＢＴＱ１３，Ｑ２３，Ｑ３３を常時導通状態、つまりオン固定とされることによって、下段側のスイッチング素子がＩＧＢＴＱ１４，Ｑ２４，Ｑ３４の１段とされる。この状態で、ＩＧＢＴＱ１２，Ｑ２２，Ｑ３２及びＩＧＢＴＱ１４，Ｑ２４，Ｑ３４が相補的にスイッチング（オン／オフ）制御されることによって、出力端Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗには中間点電圧Ｍと負極電圧Ｎとの間の電圧が出力される。
【００８３】
尚、３レベルインバータの回路構成は、図２に例示したものに限定されるものではない。簡略化のため、ｕ相のみのレッグを例示するが、例えば図１２に示すような回路構成においても、本発明を適用することが可能である。
【００８４】
図１２に示す３レベルインバータを上段側のみの２レベルインバータとして用いる場合について説明する。尚、図に準じて、ｕ相のみのスイッチング形態について説明する。ＩＧＢＴＱ４を常時開放状態、つまりオフ固定とし、ＩＧＢＴＱ６を常時導通状態、つまりオン固定とすることによって、負極電圧Ｎと出力端Ｖｕとが分離され、下段側の負極が中間点電圧Ｍとされる。ＩＧＢＴＱ２を常時導通状態、つまりオン固定とすることによって、上段側のスイッチング素子がＩＧＢＴＱ１の１段とされる。この状態で、ＩＧＢＴＱ３とＩＧＢＴ５とのペア及びＩＧＢＴＱ１１が相補的にスイッチング（オン／オフ）制御されることによって、出力端Ｖｕには正極電圧Ｐと中間点電圧Ｍと間の電圧が出力される。この３レベルインバータを下段側のみの２レベルインバータとして用いる場合も同様であり、当業者であれば容易に理解可能であるので詳細な説明は省略する。
【００８５】
図１３に示す３レベルインバータを上段側のみの２レベルインバータとして用いる場合も同様である。ＩＧＢＴＱ４を常時開放状態、つまりオフ固定とし、ＩＧＢＴＱ８を常時導通状態、つまりオン固定とする。この状態で、ＩＧＢＴＱ１及びＩＧＢＴＱ７が相補的にスイッチング（オン／オフ）制御されることによって、出力端Ｖｕには正極電圧Ｐと中間点電圧Ｍとの間の電圧が出力される。この３レベルインバータを下段側のみの２レベルインバータとして用いる場合も同様であり、当業者であれば容易に理解可能であるので詳細な説明は省略する。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、３レベルインバータをスイッチング制御して３相交流回転電機を駆動制御する回転電機制御装置に適用することができる。また、そのような回転電機制御装置により制御される回転電機を駆動源や回生源とするハイブリッド車両や電気自動車に適用することができる。
【符号の説明】
【００８７】
１０：回転電機制御装置
１１：暖機判定部
１２：バッテリ状態判定部
１２ａ：充電残量判定部
１２ｂ：故障状態判定部
１７：スイッチング制御部
３０：バッテリセル
３１：上段バッテリ
３２：下段バッテリ
３３：バッテリ群
６０：インバータ（３レベルインバータ）
９０：モータ（多相交流回転電機）
Ｃ１，Ｃ２：コンデンサ
Ｌ１，Ｌ２：配線インダクタンス
Ｍ：中間点電圧
Ｐ：正極電圧
Ｎ：負極電圧
Ｓｍ：中間スイッチ
ＴＨｓｏｃ：残量しきい値
Ｖｄｃ：正負両極間電圧
Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ：交流出力電圧
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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