(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ個（ｎ≧２）の低圧バッテリと、該バッテリの各々の直流電力を単相交流電力に変換するｎ個の電力変換器を１ユニットとして３ユニット有し、各ユニット内の単相交流端子は直列に接続され、各ユニット内の単相交流端子の内、他の電力変換器の単相交流端子と接続されていない単相交流端子の一方が互いにスター接続され、他方は３相出力端子となっており、各ユニット内のｎ個の電力変換器を多重パルス幅変調出力させる制御手段を有する、多重パルス幅変調方式の電力変換装置。
【請求項２】
ｎ個（ｎ≧２）の低圧バッテリと、該バッテリの各々の直流電力を単相交流電力に変換するｎ個の電力変換器を１ユニットとして３ユニット有し、各ユニット内の単相交流端子は直列に接続され、各ユニット内の単相交流端子の内、他の電力変換器の単相交流端子と接続されていない単相交流端子の一方が互いにスター接続され、他方は３相出力端子となっており、各ユニット内のｎ個の電力変換器を多重パルス幅変調出力させる制御手段と、前記各バッテリの残存容量を検出する残存容量検出手段と、前記残存容量検出手段による検出値に基づいて、直列に接続されたｎ個の前記電力変換器の電圧指令値を決定する手段を有する、多重パルス幅変調方式の電力変換装置。
【請求項３】
ｎ個（ｎ≧２）の低圧バッテリと、該バッテリの各々の直流電力を単相交流電力に変換するｎ個の電力変換器を１ユニットとして３ユニット有し、各ユニット内の単相交流端子は直列に接続され、各ユニット内の単相交流端子の内、他の電力変換器の単相交流端子と接続されていない単相交流端子の一方が互いにスター接続され、他方は３相出力端子となっており、各ユニット内のｎ個の電力変換器を多重パルス幅変調出力させる制御手段と、前記各バッテリの残存容量を検出する残存容量検出手段と、前記残存容量検出手段による検出値に基づいて、直列に接続されたｎ個の前記電力変換器の交流電圧の基本波振幅の比を決定する手段を有する、多重パルス幅変調方式の電力変換装置。
【請求項４】
前記各低圧バッテリを個別または直列接続で充電する手段を備えたことを特徴とする請求項２または請求項３記載の多重パルス幅変調方式の電力変換装置。
【請求項５】
ｎ個（ｎ≧２）の低圧バッテリと、該バッテリの各々の直流電力を単相交流電力に変換するｎ個の電力変換器を１ユニットとして３ユニット有し、各ユニット内の単相交流端子は直列に接続され、各ユニット内の単相交流端子の内、他の電力変換器の単相交流端子と接続されていない単相交流端子の一方が互いにスター接続され、他方は３相出力端子となっており、各ユニット内のｎ個の電力変換器を多重パルス幅変調出力させる制御手段と、前記各低圧バッテリを個別または直列接続で充電する手段を有する、多重パルス幅変調方式の電力変換装置。
【請求項６】
前記各低圧バッテリを個別または直列接続で充電する手段は、前記電力変換器の導通切り替えによって前記各低圧バッテリを個別または直列接続で充電することを特徴とする請求項４または請求項５記載の多重パルス幅変調方式の電力変換装置。
【請求項７】
前記３相出力端子に接続された３相交流電動機の中性点と、前記３ユニットの単相交流端子のスター接続点との間に接続された充電用電源を備えたことを特徴とする請求項６記載の多重パルス幅変調方式の電力変換装置。
【請求項８】
前記充電用電源の接続をオン／オフするスイッチを備えたことを特徴とする請求項７記載の多重パルス幅変調方式の電力変換装置。
【請求項９】
前記充電用電源は直流または交流電源であることを特徴とする請求項７または請求項８記載の多重パルス幅変調方式の電力変換装置。
【請求項１０】
前記各低圧バッテリを個別または直列接続で充電する手段は、前記３相交流電動機の巻線リアクトルを利用して充電用電圧を昇圧する機能を備えたことを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれか１項に記載の多重パルス幅変調方式の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はバッテリを主電源とする電気自動車などの電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電気自動車の電力変換装置には、電源として高電圧のバッテリを必要としていた。
図１５は従来の電気自動車用インバータの回路図である。インバータ５０２はバッテリ５０３の直流電力を一般的に図１５のように半導体スイッチ６０１〜６０６を用いて３相交流電力へ変換し、交流電動機５０１を駆動する。このインバータ５０２では半導体スイッチ６０１〜６０６の接続から交流電動機５０１に相間電圧として出力できる電圧の最大値がバッテリ電圧と等しくなる。交流電動機５０１には、比較的安価な２００Ｖの電動機が使用されるのが一般的である。このためインバータ５０２の交流出力として３相２００Ｖ交流電力を得るには、インバータ５０２の入力電圧として最低でも交流２００Ｖの振幅である２８２Ｖ（≒２００×２1/2 ）より高い直流電圧が必要となる。したがって、２００Ｖの電動機を駆動するには、おおよそ３００Ｖ程度の電圧をもつバッテリが必要である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、バッテリで高電圧を作るためには、１つのセルが数Ｖのバッテリを百数十個程度直列に接続しなければならない。また、このような多数個直列接続されたバッテリを充電するには、バッテリよりも高電圧の直流電圧を充電器によって作り出さなければならない。セルを多数直列接続したバッテリを充電する場合、セルの特性に個体差があるため、各セルの電圧を完全に均等することができず、各セルの充電状態にばらつきが生ずる。さらに、数百Ｖ程度に多数個直列接続されたバッテリの場合には、バッテリに加える充電電圧も高く個々のセルの充電状態のばらつきが無視できないほど大きくなるため、できるだけバッテリの直列接続数を減らし充電電圧を低くする方がよい。しかしバッテリの電圧を低くすると交流電動機に必要な直流電圧を得ることができない。
【０００４】
本発明の目的は、３相交流電動機を可変速駆動し、低電圧のバッテリに対応する、多重パルス幅変調方式の電力変換装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の、多重パルス幅変調方式の電力変換装置は、
直流電源または１個以上のバッテリセルより構成されるｎ個（ｎ≧２）のバッテリと、該バッテリの各々の直流電力を単相交流電力に変換するｎ個の電力変換器を１ユニットとして３ユニット有し、
各ユニット内の単相交流端子は直列に接続され、各ユニット内の単相交流端子の内、他の電力変換器の単相交流端子と接続されていない単相交流端子の一方が互いにスター接続され、他方は３相交流電動機の３個の入力端子の各々に接続されており、
各ユニット内のｎ個の電力変換器の単相交流端子に出力される交流出力が同位相になるように前記電力変換器を制御し、さらに３個のユニット間の交流出力が電気角で１２０°ずれるように多重パルス幅変調を行う制御回路を有する。
【０００６】
上記の構成の電力変換装置を用いて３相交流電動機の可変速駆動を行うに当たり、多重パルス幅変調の波形制御を行うので、低歪み波形の出力電圧、出力電流が得られ、直流から交流の直接変換であるので、電力の供給と回生も自由に行うことができる。
本発明の第２の、多重パルス幅変調方式の電力変換装置は、第１の電力変換装置の各ユニットに、自ユニット内の各バッテリの残存容量を検出する残存容量検出器をさらに有し、前記各残存容量検出器で検出された残存容量により、直列に接続されたｎ個の前記電力変換器の交流電圧の基本波振幅の比を決定する手段を有する。
バッテリの残存容量により、直列接続された単相電力変換器の出力電圧の基本波振幅の比を決定することで、３相交流電動機を効率的に駆動することができ、それにつながるバッテリを効率的に充電することができる。
【０００７】
本発明の第３の、多重パルス幅変調方式の電力変換装置は、
直流電源または１個以上のバッテリセルより構成されるバッテリと、
前記バッテリの直流電力を交流電力に変換するｎ個（ｎ≧２）の第１の電力変換器と、各第１の電力変換器の出力を絶縁するｎ個のトランスと、各トランスからの電力を単相交流電力に変換するｎ個の第２の電力変換器を１ユニットとして３ユニットを有し、
各ユニット内の単相交流端子は直列に接続され、各ユニット内の単相交流端子の内、他の第２の電力変換器の単相交流端子と接続されていない単相交流端子の一方が互いにスター接続され、他方は３相交流電動機の３個の入力端子の各々に接続されており、
各ユニット内のｎ個の第２の電力変換器の単相交流端子に出力される交流出力が同位相になるように第２の電力変換器を制御し、さらに３個のユニット間の交流出力が電気角で１２０°ずれるように多重パルス幅変調を行う制御回路を有する。
【０００８】
上記の構成の電力変換装置を用いて３相交流電動機の可変速駆動を行うに当たり、バッテリの電力を一旦交流電力に変換しトランスで絶縁した後に多重化するので、１つのバッテリを電源とした多重化が可能となる。また、複数のモジュールからなる各ユニットでそれぞれ単相パルス幅変調の波形制御を行うので、低歪み波形の出力電圧、出力電流が得られ、電力の供給と回生も自由に行うことができる。また、充電時にはバッテリをそれぞれのユニットの回生モードで充電できるため、電力変換装置自体に充電機能を組み込むことができる。
本発明の第４の、多重パルス幅変調方式の電力変換装置は、
直流電源または１個以上のバッテリセルより構成されるバッテリと、
前記バッテリの直流電力を交流電力に変換する第１の電力変換器と、
前記第１の電力変換器の出力を１次側入力とし、２次側に絶縁出力をもつトランスと、
前記トランスからの絶縁された電力を単相交流電力に変換するｎ個（ｎ≧２）の第２の電力変換器を１ユニットとして３ユニットを有し、
各ユニット内の単相交流端子は直列に接続され、各ユニット内の単相交流端子の内、他の電力変換器の単相交流端子と接続されていない単相交流端子の一方が互いにスター接続され、他方は３相交流電動機の３個の入力端子の各々に接続されており、
各ユニット内のｎ個の第２の電力変換器の単相交流端子に出力される交流出力が同位相になるように第２の電力変換器を制御し、さらに３個のユニット間の交流出力が電気角で１２０°ずれるように多重パルス幅変調を行う制御回路を有する。この場合、バッテリ、第１の電力変換器、トランスを各ユニットに対して１個ずつ設けることもできる。
【０００９】
上記の構成の電力変換装置を用いて３相交流電動機の可変速駆動を行うに当たり、バッテリの電力を一旦交流電力に変換しトランスで絶縁した後に多重化するので、１つのバッテリを電源とした多重化が可能となる。また、複数の第２の電力変換器からなる３ユニットでそれぞれ多重パルス幅変調の波形制御を行うので、低歪み波形の出力電圧、出力電流が得られ、電力の供給と回生も自由に行うことができる。また、充電時にはバッテリをそれぞれのユニットの回生モードで充電できるため、電力変換装置自体に充電機能を組み込むことができる。
本発明の実施態様によれば、前記３ユニットの単相交流端子のスター接続点と前記３相交流電動機の巻線の中性点との間に充電用電源とオン／オフスイッチが直列に接続されている。
【００１０】
この場合、各電力変換器のスイッチ素子の導通状態の切り替えによって前記スイッチをオンにしたあと、当該電力変換器内のバッテリの個別充電または一括充電を行うことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施形態の電力変換装置の構成図である。
本実施形態の電力変換装置は、３相交流電動機１を可変速駆動するもので、３つのユニット１１1 、１１2 、１１3 で構成されている。
ユニット１１1 は、１個以上のバッテリセルより構成される３個のバッテリ１２11、１２12、１２13と、それぞれバッテリ１２11、１２12、１２13の直流電力を単相交流電力に変換する電力変換器である単相ＰＷＭインバータ１３11、１３12、１３13で構成されている。ユニット１１2 は、１個以上のバッテリセルより構成される３個のバッテリ１２21、１２22、１２23と、それぞれバッテリ１２21、１２22、１２23の直流電力を単相交流電力に変換する電力変換器である単相ＰＷＭインバータ１３21、１３22、１３23で構成されている。ユニット１１3 は、１個以上のバッテリセルより構成される３個のバッテリ１２31、１２32、１２33と、それぞれバッテリ１２31、１２32、１２33の直流電力を単相交流電力に変換する電力変換器である単相ＰＷＭインバータ１３31、１３32、１３33で構成されている。
【００１２】
単相ＰＷＭインバータ１３11の単相交流端子ｓは単相ＰＷＭインバータ１３12の単相交流端子ｒに接続され、単相ＰＷＭインバータ１３12の単相交流端子ｓは単相ＰＷＭインバータ１３13の単相交流端子ｒに接続されている。単相ＰＷＭインバータ１３21の単相交流端子ｓは単相ＰＷＭインバータ１３22の単相交流端子ｒに接続され、単相ＰＷＭインバータ１３22の単相交流端子ｓは単相ＰＷＭインバータ１３23の単相交流端子ｒに接続されている。単相ＰＷＭインバータ１３31の単相交流端子ｓは単相ＰＷＭインバータ１３32の単相交流端子ｒに接続され、単相ＰＷＭインバータ１３32の単相交流端子ｓは単相ＰＷＭインバータ１３33の単相交流端子ｒに接続されている。単相ＰＷＭインバータ１３11、１３21、１３31の単相交流端子ｒはそれぞれ３相交流電動機１の入力端子ｕ，ｖ，ｗに接続されている。単相ＰＷＭインバータ１３13、１３23、１３33の単相交流端子ｓはスター接続されている（中性点ｂ）。
【００１３】
３相交流電動機１の中性点ａと中性点ｂの間には、充電用電源２と、バッテリ１２11〜１２33の充電時、充電用電源２を３相交流電動機１に接続するスイッチ３が直列に接続されている。
図２は各ユニット１１1 〜１１3 の詳細な回路図である。単相ＰＷＭインバータ１３i1（ｉ＝１〜３）は直流端子Ｐ、Ｎと単相交流端子ｒ、ｓを有し、半導体スイッチ２１１〜２１４と、コンデンサ２０１と、出力電圧指令Ｖ1 * （＝Ｖ* ／３、Ｖ* は１ユニット出力電圧指令）によりＰＷＭ波形を作り、信号Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４によりそれぞれ半導体スイッチ２１１、２１２、２１３、２１４をオン／オフさせる、制御回路であるＰＷＭ発生器１４i1で構成されている。単相ＰＷＭインバータ１３i2（ｉ＝１〜３）は直流端子Ｐ、Ｎと単相交流端子ｒ、ｓを有し、半導体スイッチ２２１〜２２４と、コンデンサ２０２と、出力電圧指令Ｖ2*（＝Ｖ* ／３，Ｖ* は１ユニット出力電圧指令）によりＰＷＭ波形を作り、信号Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２４によりそれぞれ半導体スイッチ２２１、２２２、２２３、２２４をオン／オフさせる、制御回路であるＰＷＭ発生器１４i2で構成されている。単相ＰＷＭインバータ１３i3（ｉ＝１〜３）は直流端子Ｐ、Ｎと単相交流端子ｒ、ｓを有し、半導体スイッチ２３１〜２３４と、コンデンサ２０３と、出力電圧指令Ｖ3*（＝Ｖ* ／３、Ｖ* は１ユニット出力電圧指令）によりＰＷＭ波形を作り、信号Ｓ３１、Ｓ３２、Ｓ３４によりそれぞれ半導体スイッチ２３１、２３２、２３３、２３４をオン／オフさせる、制御回路であるＰＷＭ発生器１４i3で構成されている。
【００１４】
ユニット１１1 の単相ＰＷＭインバータ１３11、１３12、１３13の単相交流端子ｒ，ｓに出力される交流出力の基本波電圧は同位相になるようにＰＷＭ発生器１４11、１４12、１４13で制御される。ユニット１１2 の単相ＰＷＭインバータ１３21、１３22、１３23の単相交流端子ｒ，ｓに出力される交流出力の基本波電圧、ユニット３の単相ＰＷＭインバータ１３31、１３32、１３33の単相交流端子ｒ，ｓに出力される交流出力の基本波電圧も同様に同位相になるようにＰＷＭ発生器１４21〜１４23、１４31〜１４33で制御される。そしてユニット１１1 、１１2 、１１3 間では交流出力の位相が電気角で１２０°ずれるように多重パルス幅変調が行われる。ここで、３相交流電動機１の３個の入力端子ｕ，ｖ，ｗ間にかかる相間電圧Ｖuv, Ｖvw, Ｖwuと各ユニット１１1 、１１2 、１１3 の交流出力電圧Ｖu ，Ｖv ，Ｖw との関係を電圧ベクトル図として図３に示す。この図３から各ユニット１１1 〜１１3 が出力するのに必要な電圧Ｖu ，Ｖv ，Ｖw は相間電圧Ｖuv, Ｖvw，Ｖwuの振幅の１／３1/2 でよいことが分かる。また、各ユニット１１1 〜１１3 が３個の単相ＰＷＭインバータで構成されているので、各単相ＰＷＭインバータ１３11〜１３33の出力電圧の最大値は３相交流電動機１の相間電圧Ｖuv，Ｖvw，Ｖwuの振幅の１／３・３1/2 でよく、単相ＰＷＭインバータ１３11〜１３33のバッテリ電圧も３相交流電動機１の相間電圧Ｖuv，Ｖvw，Ｖwuの１／３・３1/2 より高い電圧であればよい。したがって、バッテリ１２11〜１２33は従来に比べて低電圧のものを使用することが可能となる。
【００１５】
バッテリ１２11〜１２33の充電時には充電用電源２が中性点ａとｂにスイッチ３によって接続されるため、３つのユニット１１1 〜１１3 は充電用電源２と並列に接続され、バッテリ１２11〜１２33が充電される。このとき、各単相ＰＷＭインバータ１３11〜１３33の半導体スイッチ２１１〜２１４、２２１〜２２４、２３１〜２３４の導通状態の切り替えによって、各バッテリ１２11〜１２33の個別充電や直列接続での充電が可能となる。
また、単相ＰＷＭインバータ１３11〜１３33のスイッチ素子２１１〜２１４、２２１〜２２４、２３１〜２３４を、充電用電源２の極性に合わせてバッテリ１２11〜１２33が充電されるように制御することによって、充電用電源２として交流電源も使用可能となる。さらに、３相交流電動機１の巻線に存在するリアクトル分が大きい交流電動機の場合には、単相ＰＷＭインバータ１３11〜１３33のスイッチ素子２１１〜２１４、２２１〜２２４、２３１〜２３４と３相交流電動機１の巻線リアクトル４とで図４のようなＰＷＭコンバータを構成することができ、ＰＷＭコンバータは電源電圧を昇圧できるため、充電用電源電圧がバッテリ電圧よりも低い場合でもバッテリ１２11〜１２33の充電が可能となる。
【００１６】
なお、本実施形態ではＰＷＭ発生器を各単相ＰＷＭインバータ１３11〜１３33に備えているが、１ユニットに１つのＰＷＭ発生器を備えてユニット内の３つの単相ＰＷＭインバータを制御するようにしてもよい。
図５は図１の電力変換装置の１ユニットの出力電圧Ｖおよび１ユニット内の３個のＰＷＭインバータの出力電圧Ｖ1 、Ｖ2 、Ｖ3 （図２）の基本波の波形図である。図５からわかるように、１ユニットの出力電圧Ｖと、３個の単相ＰＷＭインバータの交流電圧Ｖ1 、Ｖ2 、Ｖ3 の基本波の和は等しく、また３個のＰＷＭインバータの出力電圧Ｖ1 、Ｖ2 、Ｖ3 の基本波は全て等しい。
しかし、このように出力電圧Ｖを制御すると、バッテリの残存容量にばらつきがある場合、残存容量の少ないバッテリは、他のバッテリより早く出力不能になるため、全体では残存容量が十分あるにも関わらず出力不能になる。また、バッテリを充電する場合、セルの特性に個体差があるため、各セルの充電状態にばらつきが生じるという問題が生じる。
【００１７】
図６は上記問題点を解決した本発明の第２の実施形態の多重パルス幅変調方式の電力変換装置の構成図である。
本実施形態は第１の実施形態の電力変換装置に、ユニット１１1 の各バッテリ１２11、１２12、１２13の残存容量を検出する残存容量検出器１５11、１５12、１５13と、ユニット１１2 の各バッテリ１２21、１２22、１２23の残存容量を検出する残存容量検出機器１５21、１５22、１５23と、ユニット１１3 の各バッテリ１２31、１２32、１２33の残存容量を検出する残存容量検出器１５31、１５32、１５33と、残存容量検出器１５11、１５12、１５13から検出された残存容量により単相ＰＷＭインバータ１３11、１３12、１３13の出力電圧指令を求め、ＰＷＭ発生器１４11、１４12、１４13に出力する出力電圧指令演算器１６1 と、残存容量検出器１５21、１５22、１５23から検出された残存容量により単相ＰＷＭインバータ１３21、１３22、１３23の出力電圧指令を求め、ＰＷＭ発生器１４21、１４22、１４23に出力する出力電圧指令演算器１６2 と、残存容量検出器１５31、１５32、１５23から検出された残存容量により単相ＰＷＭインバータ１３31、１３32、１３33の出力電圧指令を求め、ＰＷＭ発生器１４31、１４32、１４33に出力する出力電圧指令演算器１６3 とが付加されて構成されている。
【００１８】
図７は各ユニット１１1 〜１１3 の詳細な回路図である。１ユニットの出力電圧指令値をＶ* 、単相ＰＷＭインバータ１３i1、１３i2、１３i3（ｉ＝１〜３）の出力電圧指令値をそれぞれＶ1*、Ｖ2*、Ｖ3*とすると、出力電圧指令演算器１６i1（ｉ＝１〜３）は３相交流電動機１の駆動時、１ユニットの出力電圧指令Ｖ*と、残存容量検出器１５i1，１５i2，１５i3で検出されたバッテリ１２i1、１２i2，１２i3の残存容量Ｑ1 、Ｑ2 、Ｑ3 により、単相ＰＷＭインバータ１３i1、１３i2、１３i3の出力電圧指令Ｖ1*、Ｖ2 * 、Ｖ3 * をそれぞれ次式（１）、（２）、（３）
Ｖ1*＝｛Ｑ1 ／（Ｑ1 ＋Ｑ2 ＋Ｑ3 ）｝×Ｖ* ・・（１）
Ｖ2*＝｛Ｑ2 ／（Ｑ1 ＋Ｑ2 ＋Ｑ3 ）｝×Ｖ* ・・（２）
Ｖ3*＝｛Ｑ3 ／（Ｑ1 ＋Ｑ2 ＋Ｑ3 ）｝×Ｖ* ・・（３）
より算出し、それぞれＰＷＭ発生器１４i1、１４i2、１４i3に出力する。ＰＷＭ発生器１４i1、１４i2，１４i3はこれら出力電圧指令Ｖ1*、Ｖ2*、Ｖ3*によりＰＷＭ波形を作り、半導体スイッチ２１１〜２１４、２２１〜２２４、２３１〜２３４をオン／オフさせる。
【００１９】
例えば、Ｑ1 ＝８０％、Ｑ2 ＝５０％、Ｑ3 ＝２０％のときは、
Ｖ1*＝０．５３Ｖ* 、Ｖ2 * ＝０．３３Ｖ* ，Ｖ3 * ＝０．１３Ｖ* となる。このときの１ユニットの出力電圧Ｖの基本波、各単相ＰＷＭインバータの出力電圧Ｖ1 、Ｖ2 、Ｖ3 の基本波を図８に示す。
充電時、出力電圧指令演算器１６i1（ｉ＝１〜３）は、１ユニットの出力電圧指令Ｖ*と、残存容量検出器１５i1，１５i2，１５i3により検出されたバッテリ１２i1、１２i2，１２i3の残存容量Ｑ1 、Ｑ2 、Ｑ3 により、単相ＰＷＭインバータ１３i1、１３i2、１３i3の出力電圧指令Ｖ1*、Ｖ2 * 、Ｖ3 * をそれぞれ次式（４）、（５）、（６）
Ｖ1*＝｛（１−Ｑ1 ）／（１−（Ｑ1 ＋Ｑ2 ＋Ｑ3 ））｝×Ｖ* ・・（４）
Ｖ2*＝｛（１−Ｑ2 ）／（１−（Ｑ1 ＋Ｑ2 ＋Ｑ3 ））｝×Ｖ* ・・（５）
Ｖ3*＝｛（１−Ｑ3 ）／（１−（Ｑ1 ＋Ｑ2 ＋Ｑ3 ））｝×Ｖ* ・・（６）
より算出し、それぞれＰＷＭ発生器１４i1、１４i2、１４i3に出力する。ＰＷＭ発生器１４i1、１４i2，１４i3はこれら出力電圧指令Ｖ1*、Ｖ2*、Ｖ3*によりＰＷＭ波形を作り、半導体スイッチ２１１〜２１４、２２１〜２２４、２３１〜２３４をオン／オフさせる。
【００２０】
例えば、Ｑ1 ＝８０％、Ｑ2 ＝５０％、Ｑ3 ＝２０％のときは、
Ｖ1*＝０．１３Ｖ* 、Ｖ2 * ＝０．３３Ｖ* 、Ｖ3 * ＝０．５３Ｖ* となる。このときの１ユニットの出力電圧Ｖの基本波、各単相ＰＷＭインバータの出力電圧Ｖ1 、Ｖ2 、Ｖ3 の基本波を図９に示す。
本実施形態によれば、それぞれのバッテリの残存容量が異なる場合でも、３相交流電動機１を効率的に駆動することができ、またバッテリを効率良く充電することができる。
図１０は本発明の第３の実施形態の、多重パルス幅変調方式の電力変換装置の構成図である。
本実施形態の電力変換装置は、１個以上のバッテリセル構成されるバッテリ２２と、３つのユニット２１1 、２１2 、２１3 で構成されている。
【００２１】
ユニット２１1 は３つのインバータモジュール２３11、２３12、２３13、ユニット２１2 は３つのインバータモジュール２３21、２３22、２３23、ユニット２１3 は３つのインバータモジュール２３31、２３32、２３33で構成されている。インバータモジュール２３11、２３12、・・・、２３33はいずれも同じ構成で、直流端子Ｐ，ＮとＤＣ←→ＡＣインバータ２４と絶縁トランス２５とＡＣ←→ＡＣインバータ２６と単相交流端子ｒ，ｓで構成されている。インバータモジュール２３11、２３12、・・・、２３33にはそれぞれＰＷＭ発生器２７11、２７12、・・・、２７33が付属している。
図１１はＤＣ←→ＡＣインバータ２４とＡＣ←→ＡＣインバータ２６の回路図である。
【００２２】
ＤＣ←→ＡＣインバータ２４はコンデンサ３０１と半導体スイッチ３１１〜３１４で構成され、ＡＣ←→ＡＣインバータ２６はコンデンサ３０２と半導体スイッチ３１５〜３２２で構成され、いずれも回生可能である。
インバータモジュール２３11の単相交流端子ｓはインバータモジュール２３12の単相交流端子ｒに接続され、インバータモジュール２３12の単相交流端子ｓはインバータモジュール２３13の単相交流端子ｒに接続されている。インバータモジュール２３21の単相交流端子ｓはインバータモジュール２３22の単相交流端子ｒに接続され、インバータモジュール２３22の単相交流端子ｓはインバータモジュール２３23の単相交流端子ｒに接続されている。インバータモジュール２３31の単相交流端子ｓはインバータモジュール２３32の単相交流端子ｒに接続され、インバータモジュール２３32の単相交流端子ｓはインバータモジュール２３33の単相交流端子ｒに接続されている。インバータモジュール２３11、２３21、２３31の単相交流端子ｒはそれぞれ３相交流電動機１の入力端子ｕ，ｖ，ｗに接続されている。インバータモジュール２３13、２３23、２３33の単相交流端子ｓはスター接続されている（中性点ｂ）。
【００２３】
３相交流電動機１の中性点ａと中性点ｂの間には、充電用電源２と、バッテリ２２の充電時、充電用電源２を３相交流電動機１に接続するスイッチ３が設けられている。
各ユニット２１1 、２１2 、２１3 の３個のインバータモジュールは単相交流端子ｒ，ｓに出力される交流出力の基本波電圧が同位相になるようにＰＷＭ発生器により制御され、３個のユニット２１1 、２１2 、２１3 間は基本波電圧の電気角が互いに１２０°位相の異なる交流出力を発生するようにＰＷＭ発生器により多重パルス幅変調で制御され、３相交流電動機１が駆動される。ここで、３相交流電動機１の３個の入力端子ｕ，ｖ，ｗ間にかかる相間電圧Ｖuv, Ｖvw，Ｖwuと各ユニット２１1 、２１2 、２１3 の交流出力電圧Ｖu ，Ｖv ，Ｖw との関係を電圧ベクトル図として図３に示す。この図３から各ユニット２１1 〜２１33が出力するのに必要な電圧Ｖu ，Ｖv ，Ｖw は相間電圧Ｖuv，Ｖvw，Ｖwuの振幅の１／３1/2 でよいことが分かる。また、各ユニット２１1 〜２１3 が３個のインバータモジュールで構成されているので、各インバータモジュール２３11〜２３33の出力電圧の最大値は３相交流電動機１の相間電圧Ｖuv，Ｖvw，Ｖwuの振幅の１／３・３1/2 でよく、インバータモジュール２３11〜２３33のバッテリ電圧も３相交流電動機１の相間電圧Ｖuv，Ｖvw，Ｖwuの１／３・３1/2 より高い電圧であればよい。したがって、インバータモジュール２３11〜２３33の半導体スイッチ３１１〜３２２は従来に比べて低電圧のものを使用することが可能となる。
【００２４】
インバータモジュール２３11〜２３33の出力端子ｒ、ｓは入力端子Ｐ、Ｎと絶縁されているため、各インバータモジュール２３11〜２３33の入力を一つのバッテリ２２から取ることが可能である。また、内部にトランス２５を持つためトランス２５の巻数比を変えることで入力電圧、出力電圧の値を設計時に自由に決定することができる。また、ＤＣ←→ＡＣインバータ２４とトランス２５で昇降圧コンバータの制御構成にすれば、ＡＣ←→ＡＣインバータ２６の入力電圧を自由に可変することもできる。さらに、トランス２５を通る交流電力の周波数を高周波化することによって、トランス２５として小型のトランスを使うことができる。インバータモジュール２３11〜２３33の容量は全体出力をインバータモジュールの数（この場合９）で割った容量を受け持つだけでよいので、各インバータモジュール２３11〜２３33は小形なものとすることができる。
【００２５】
充電時には交流または直流の充電用電源２を中性点ａとｂにスイッチ３を通して接続すると、３つのユニット２１1 、２１2 、２１3 は充電用電源２と並列に接続される。このとき、一つまたは複数のインバータモジュールの電力が交流端子ｒ，ｓから直流端子Ｐ、Ｎへ流れるように回生制御すれば、バッテリ２２の充電ができる。
図１２は本発明の第４の実施形態の多重パルス幅変調方式を用いた電力変換装置の構成図である。
本実施形態の電力変換装置は、１個以上のバッテリセルより構成されるバッテリ３２と、バッテリ３２の直流電力を交流電力に変換するＤＣ←→ＡＣインバータ３３と、ＤＣ←→ＡＣインバータ３３の出力を１次側入力とし、２次側に絶縁出力をもつトランス３４と、トランス３４からの絶縁された電力を単相交流電力に変換する３個のＡＣ←→ＡＣインバータ３５11、３５12、３５13、３個のＡＣ←→ＡＣインバータ３５21、３５22、３５23、３個のＡＣ←→ＡＣインバータ３５31、３５32、３５33でそれぞれ構成されるユニット３１1 、３１2 、３１3 で構成されている。ＡＣインバータ３５11、３５12、・・・、３５33にはそれぞれＰＷＭ発生器３６11、３６12、・・・、３６33が付属している。
【００２６】
図１３はＤＣ←→ＡＣインバータ３３とＡＣ←→ＡＣインバータ３５11〜３５33の回路図である。
ＤＣ←→ＡＣインバータ３３はコンデンサ４０１と半導体スイッチ４１１〜４１４で構成され、ＡＣ←→ＡＣインバータ３５11〜３５33はコンデンサ４０２と半導体スイッチ４１５〜４２２で構成されている。
ＡＣ←→ＡＣインバータ３５11の単相交流端子ｓはＡＣ←→ＡＣインバータ３５12の単相交流端子ｒに接続され、ＡＣ←→ＡＣインバータ３５12の単相交流端子ｓはＡＣ←→ＡＣインバータ３５13の単相交流端子ｒに接続されている。ＡＣ←→ＡＣインバータ３５21の単相交流端子ｓはＡＣ←→ＡＣインバータ３５22の単相交流端子ｒに接続され、ＡＣ←→ＡＣインバータ３５22の単相交流端子ｓはＡＣ←→ＡＣインバータ３５23の単相交流端子ｒに接続されている。ＡＣ←→ＡＣインバータ３５31の単相交流端子ｓはＡＣ←→ＡＣインバータ３５32の単相交流端子ｒに接続され、ＡＣ←→ＡＣインバータ３５32の単相交流端子ｓはＡＣ←→ＡＣインバータ３５33の単相交流端子ｒに接続されている。ＡＣ←→ＡＣインバータ３５11、３５21、３５31の単相交流端子ｒはそれぞれ３相交流電動機１の入力端子ｕ，ｖ，ｗに接続されている。ＡＣ←→ＡＣインバータ３５13、３５23、３５33の単相交流端子ｓはスター接続されている（中性点ｂ）。
【００２７】
３相交流電動機１の中性点ａと中性点ｂの間には、充電用電源２と、バッテリ３２の充電時、充電用電源２を３相交流電動機１に接続するスイッチ３が設けられている。
各ユニット３１1 、３１2 、３１3 の３個のＡＣ←→ＡＣインバータ３５11〜３５13、３５21〜３５23、３５31〜３５33は、単相交流端子ｒ，ｓに出力される交流出力の基本波電圧が同位相になるようにＰＷＭ発生器により制御され、３個のユニット３１1 、３１2 、３１3 間の基本波電圧の電気角が互いに１２０°異なる交流出力を発生するようにＰＭＷ発生器により多重パルス幅変調で制御され、３相交流電動機１が駆動される。ここで、３相交流電動機１の３個の入力端子ｕ，ｖ，ｗ間にかかる相間電圧Ｖuv，Ｖvw，Ｖwuと各ユニット３１1 、３１2 、３１3 の交流出力電圧Ｖu ，Ｖv ，Ｖw との関係を電圧ベクトル図として図３に示す。この図３から各ユニット３１1 〜３１3 が出力するのに必要な電圧Ｖu ，Ｖv ，Ｖw は相間電圧Ｖuv，Ｖvw，Ｖwuの振幅の１／３1/2 でよいことが分かる。また、各ユニット３１1 〜３１3 が３個のＡＣ←→ＡＣインバータで構成されているので、各ＡＣ←→ＡＣインバータ３５11〜３５33の出力電圧の最大値は３相交流電動機１の相間電圧Ｖuv，Ｖvw，Ｖwuの振幅の１／３・３1/2 でよく、ＡＣ←→ＡＣインバータ３５11〜３５33のバッテリ電圧も３相交流電動機１の相間電圧Ｖuv，Ｖvw，Ｖwuの１／３・３1/2 より高い電圧であればよい。したがって、ＡＣ←→ＡＣインバータ３５11〜３５33の半導体スイッチ４１１〜４２２は従来に比べて低電圧のものを使用することが可能となる。さらに、特開昭６３−２８２７６「３相インバータの制御装置」のようにＡＣ←→ＡＣＰＷＭインバータの正弦波電圧指令に３倍調波を加えれば、出力電圧をもう少しあげることもできる。
【００２８】
バッテリ３２とＡＣ←→ＡＣインバータ３５11〜３５33は絶縁されているので電源は一つのバッテリ３２から取ることが可能となる。また、トランス３４の巻数比を変えることでバッテリ電圧、トランス３４の２次側電圧の値を設計時に自由に決定することができる。また、ＤＣ←→ＡＣインバータ３３とトランス３４で昇降圧コンバータの制御構成にすれば、ＡＣ←→ＡＣインバータ３５11〜３５33の入力電圧を自由に可変することもできる。さらに、トランス３４を通る交流電力の周波数を高周波化することによって、小形のトランスを使うことができる。ＡＣ←→ＡＣインバータ３５11〜３５33の容量は全体出力をインバータモジュールの数（この場合９）で割った容量を受け持つだけでよいので、各ＡＣ←→ＡＣインバータ３５11〜３５33は小形のものとすることができる。
【００２９】
充電時には交流または直流の充電用電源２を中性点ａとｂにスイッチ３を通して接続すると、３つのユニット３１1 、３１2 、３１3 は充電用電源２と並列に接続される。このとき、ＤＣ←→ＡＣインバータ３３と一つまたは複数のユニットの電力の流れを回生するように制御すれば、バッテリ３２の充電ができる。
図１４は本発明の第５の実施形態の多重パルス幅変調方式の電力変換装置の構成図である。
本実施形態の電力変換装置は、図１２の第４の実施形態の電力変換装置のバッテリ３２、ＤＣ←→ＡＣインバータ３３、トランス３４をユニット３１1 、３１2 、３１3 毎に分け、それぞれバッテリ３２1 、３２2 、３２3 、ＤＣ←→ＡＣインバータ３３1 、３３2 、３３3 、ＤＣ←→ＡＣインバータ３４1 、３４2 、３４3 としたものである。その他の構成は第４の実施形態の電力変換装置と同じである。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は下記のような効果がある。
（１）  低電圧バッテリによる交流電動機の駆動が容易に可能で、かつバッテリの充電機能も電力変換装置に付加することができる。
このように、低電圧バッテリ電圧の利用が可能になるため、安全性の向上、充電効率の向上、多重方式の採用によって単相ＰＷＭインバータのスイッチング周波数を低く押さえることができるため、ラジオノイズの低減が可能である。
（２）  それぞれのバッテリの残存容量が異なる場合でも、交流電動機を効率よく駆動することが可能になり、また、効率良くバッテリの充電をすることが可能になる。
（３）  電源電圧と出力電圧の設定が自由にでき、かつバッテリの充電機能も電力変換装置に付加することができる。また、各インバータモジュールの入出力電圧は低電圧でよく、入出力が絶縁されているため安全性が向上する。さらに、低電圧のバッテリの利用も可能になるため、バッテリ単体としての安全性も向上する。
（４）  バッテリ電圧と出力電圧の設定が自由にでき、かつバッテリの充電機能も電力変換装置に付加することができる。また、各ＰＷＭインバータの入出力電圧は低電圧でよく、バッテリと電動機間が絶縁されているため安全性が向上する。さらに、低電圧のバッテリの利用も可能になるため、バッテリ単体としての安全性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の、多重パルス幅変調方式の電力変換装置の構成図である。
【図２】図１の各ユニット１１1 、１１2 、１１3 の詳細回路図である。
【図３】図１中の単相ＰＷＭインバータ１３11〜１３33の出力電圧Ｖu ，Ｖv ，Ｖw と３相交流電動機１の相間電圧Ｖuv，Ｖvw，Ｖwuの関係等を示すベクトル図である。
【図４】単相ＰＷＭインバータのスイッチ２の接続によって構成されるＰＷＭコンバータの回路図である。
【図５】図１の電力変換装置の１ユニットの出力電圧Ｖと単相ＰＷＭインバータの交流電圧Ｖ1 、Ｖ2 、Ｖ3 の基本波形を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の、多重パルス変調方式の電力変換装置の構成図である。
【図７】図６の電力変換装置の１ユニットの詳細回路図である。
【図８】図６の電力変換装置の交流電動機駆動時の１ユニットの出力電圧Ｖと単相ＰＷＭインバータの交流出力電圧Ｖ1 、Ｖ2 、Ｖ3 の基本波形を示す図である。
【図９】図６の電力変換装置の充電時の１ユニットの出力電圧Ｖと単相ＰＷＭインバータの交流電圧Ｖ1 、Ｖ2 、Ｖ3 の基本波形を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態の、多重パルス幅変調方式の電力変換装置の構成図である。
【図１１】図１０の電力変換装置のＤＣ←→ＤＣインバータ２４とＡＣ←→ＡＣインバータ２６の回路図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態の、多重パルス幅変調方式の電力変換装置の構成図である。
【図１３】図１２の電力変換装置のＤＣ←→ＤＣインバータ３３とＡＣ←→ＡＣインバータ３５11〜３５33の回路図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態の、多重パルス幅変調方式の電力変換装置の構成図である。
【図１５】インバータを用いた従来の駆動回路の回路図である。
【符号の説明】
１    ３相交流電動機
２    充電用電源
３    スイッチ
４    巻線リアクトル
１１1 、１１2 、１１3     ユニット
１２11、１２12、・・・、１２33    バッテリ
１３11、１３12、・・・、１３33    単相ＰＷＭインバータ
１４11、１４12、・・・、１４33    ＰＷＭ発生器
２０１〜２０３    コンデンサ
２１１〜２１４、２２１〜２２４、２３１〜２３４    半導体スイッチ
１５11、１５12、・・・、１５33    残存容量検出器
１６1 、１６2 、１６3     出力電圧指令演算器
２１1 、２１2 、２１3     ユニット
２２    バッテリ
２３11、２３12、・・・、２３33    インバータモジュール
２４    ＤＣ←→ＡＣインバータ
２５    トランス
２６    ＡＣ←→ＡＣインバータ
２７11、２７12、・・・、２７33    ＰＷＭ発生器
３０１、３０２    コンデンサ
３１１〜３２２    半導体スイッチ
３１1 、３１2 、３１3     ユニット
３２、３２1 、３２2 、３２3     バッテリ
３３、３３1 、３３2 、３３3     ＤＣ←→ＡＣインバータ
３４、３４1 、３４2 、３４3     トランス
３５11、３５12、・・・、３５33    ＡＣ←→ＡＣインバータ
３６11、３６12、・・・、３６33    ＰＷＭ発生器
４０１、４０２    コンデンサ
４１１〜４２２    半導体スイッチ
【図１】
0003741171.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003741171.tif 000004
【図４】
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【図５】
0003741171.tif 000006
【図６】
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【図７】
0003741171.tif 000008
【図８】
0003741171.tif 000009
【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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【図１４】
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【図１５】
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