JP4518852B2 - ハイブリッド自動車およびハイブリッド用駆動装置 - Google Patents

Description

この発明は、ハイブリッド自動車およびハイブリッド用駆動装置に関し、特に、電力変換装置にマトリックスコンバータを用いたハイブリッド自動車およびハイブリッド用駆動装置に関する。

近年の省エネおよび環境問題を背景にハイブリッド自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）が大きく注目されている。ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、直流電源からの電力あるいは発電機によって発電された電力によって駆動されるモータを動力源とする自動車である。

ハイブリッド自動車のパワートレーンシステムとしては、主にシリーズ型とパラレル型とに分類される。シリーズ型は、エンジンの出力を用いて発電機を駆動し、発電機により発電された電力によってモータを駆動して車輪を駆動するシステムである。パラレル型は、エンジンおよびモータがいずれも車輪を駆動可能なシステムである。また、シリーズ型とパラレル型とを組合わせたシステムも存在する。

ハイブリッド自動車における電力変換装置としては、従来よりインバータが用いられている。すなわち、モータおよび発電機は、たとえば３相交流回転電機からなり、モータおよび発電機にそれぞれ対応してインバータが設けられ、その各インバータに充放電可能な直流電源が接続される。

そして、上述したインバータを備えるシリーズ型ハイブリッドシステムにおいては、発電機によって発電された電力は、発電機に対応して設けられるインバータによって一旦直流に変換され、その後、モータに対応して設けられるインバータにより再び交流に変換されてモータに供給される。

一方、上述したシステムのように交流を直流に一旦変換することなく、交流から別の周波数の交流へ直接変換可能なマトリックスコンバータが知られている（たとえば、特許文献１参照）。マトリックスコンバータは、電流を双方向に通流可能な双方向性スイッチを複数備え、この複数の双方向性スイッチを用いてＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を行なうことにより、交流から任意の周波数の交流を直接生成することができる。
特開２００３−２８９６７６号公報 特開２００３−２８９６７７号公報 特開２００３−５００９８８号公報

マトリックスコンバータは、直流リンク部を備えないため装置を小型化することができ、また、小容量のスイッチを用いて大容量かつ高効率の電力変換を実現できるなどの特徴を有するため、特に小型化や高効率化に対する要求特性の高いハイブリッド自動車において、マトリックスコンバータに対する期待が高い。

特許文献１は、２つの負荷の間で電気エネルギーを変換するマトリックスコンバータを開示し、特に、鉄道分野における主電動機を制御するのに利用可能であると示唆しているが、マトリックスコンバータが適用される電気システムの具体的な構成については、何ら開示していない。

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、マトリックスコンバータを電力変換装置として搭載したハイブリッド自動車を提供することである。

また、この発明の別の目的は、マトリックスコンバータを電力変換装置として搭載したハイブリッド用駆動装置を提供することである。

この発明によれば、ハイブリッド自動車は、エンジンと、エンジンに接続される第１の交流回転電機と、車両の駆動軸に接続される第２の交流回転電機と、充放電可能な直流電源と、第１および第２の交流回転電機ならびに直流電源が接続され、第１の交流回転電機と第２の交流回転電機と直流電源との間で相互に電力変換を行なうマトリックスコンバータとを備える。

好ましくは、直流電源は、第１の交流回転電機と並列にマトリックスコンバータに接続される。

好ましくは、直流電源は、第１の交流回転電機をマトリックスコンバータと接続する電力線を介してマトリックスコンバータに接続される。

好ましくは、直流電源の第１の端子は、第１の交流回転電機をマトリックスコンバータと接続する第１の複数の電力線に含まれる第１の電力線に接続され、直流電源の第２の端子は、第１の複数の電力線と異なる第２の電力線を介してマトリックスコンバータに接続される。

好ましくは、マトリックスコンバータは、第１の交流回転電機と第２の交流回転電機との間で電力変換が行なわれるときに形成される閉回路に直流電源を直列に挿入する接続部を含む。

また、この発明によれば、ハイブリッド自動車は、エンジンと、エンジンに接続される第１の交流回転電機と、車両の駆動軸に接続される第２の交流回転電機と、充放電可能な直流電源と、第１および第２の交流回転電機の間に設けられ、第１および第２の交流回転電機の間で相互に電力変換を行なうマトリックスコンバータと、第１の交流回転電機の第１の中性点と第２の交流回転電機の第２の中性点との間に直流電源を双方向に接続可能な接続回路とを備え、マトリックスコンバータは、第１の交流回転電機における第１の各相コイル、第１の中性点および接続回路を介してマトリックスコンバータに接続された直流電源と第２の交流回転電機との間で相互に電力変換を行ない、第２の交流回転電機における第２の各相コイル、第２の中性点および接続回路を介してマトリックスコンバータに接続された直流電源と第１の交流回転電機との間で相互に電力変換を行なう。

好ましくは、ハイブリッド自動車は、第２の交流回転電機をマトリックスコンバータと接続する第２の複数の電力線のいずれか２本に接続される出力端子をさらに備え、マトリックスコンバータは、第１の交流回転電機によって発電された交流電力を単相交流電力に変換して出力端子に接続される外部負荷へ出力する。

好ましくは、単相交流電力は、商用交流電力である。

また、この発明によれば、ハイブリッド自動車は、エンジンと、エンジンに接続され、エンジンからの出力を受けて交流電力を発電する交流回転電機と、ステータおよびロータの各々に界磁コイルを有し、交流回転電機によって発電された交流電力を用いてステータおよびロータの各々に回転磁界を発生させ、その発生した２つの回転磁界の角速度の和または角速度の差に応じた角速度で回転する交流励磁回転電機と、交流回転電機と交流励磁回転電機におけるロータの界磁コイルとの間に設けられるマトリックスコンバータとを備え、マトリックスコンバータは、交流回転電機から交流電力を受け、その受けた交流電力の周波数を変換してロータの界磁コイルへ出力する。

また、この発明によれば、ハイブリッド用駆動装置は、エンジンに接続される第１の交流回転電機と、車両の駆動軸に接続される第２の交流回転電機と、充放電可能な直流電源と、第１および第２の交流回転電機ならびに直流電源が接続され、第１の交流回転電機と第２の交流回転電機と直流電源との間で相互に電力変換を行なうマトリックスコンバータとを備える。

また、この発明によれば、ハイブリッド用駆動装置は、エンジンに接続される第１の交流回転電機と、車両の駆動軸に接続される第２の交流回転電機と、充放電可能な直流電源と、第１および第２の交流回転電機の間に設けられ、第１および第２の交流回転電機の間で相互に電力変換を行なうマトリックスコンバータと、第１の交流回転電機の第１の中性点と第２の交流回転電機の第２の中性点との間に直流電源を双方向に接続可能な接続回路とを備え、マトリックスコンバータは、第１の交流回転電機における第１の各相コイル、第１の中性点および接続回路を介してマトリックスコンバータに接続された直流電源と第２の交流回転電機との間で相互に電力変換を行ない、第２の交流回転電機における第２の各相コイル、第２の中性点および接続回路を介してマトリックスコンバータに接続された直流電源と第１の交流回転電機との間で相互に電力変換を行なう。

また、この発明によれば、ハイブリッド用駆動装置は、エンジンに接続され、かつ、エンジンからの出力を受けて交流電力を発電する交流回転電機と、ステータおよびロータの各々に界磁コイルを有し、交流回転電機によって発電された交流電力を用いてステータおよびロータの各々に回転磁界を発生させ、その発生した２つの回転磁界の角速度の和または角速度の差に応じた角速度で回転する交流励磁回転電機と、交流回転電機と交流励磁回転電機におけるロータの界磁コイルとの間に設けられるマトリックスコンバータとを備え、マトリックスコンバータは、交流回転電機から交流電力を受け、その受けた交流電力の周波数を変換してロータの界磁コイルへ出力する。

この発明によるハイブリッド自動車においては、第１の交流回転電機と第２の交流回転電機と直流電源との間で相互に電力変換を行なう電力変換装置としてマトリックスコンバータが用いられるので、直流リンク部を介することなく、第１の交流回転電機と第２の交流回転電機と直流電源との間で相互かつ直接に電力変換が行なわれる。

したがって、この発明によれば、電力損失の小さい高効率なハイブリッド自動車が実現される。また、直流リンク部に必要であったリアクトルやコンデンサが不要となるため、小型かつ静粛性に優れたハイブリッド自動車を実現できる。

また、この発明によるハイブリッド自動車においては、直流電源は、第１の交流回転電機をマトリックスコンバータと接続する電力線を介してマトリックスコンバータに接続され、第１の交流回転電機および前記直流電源を前記マトリックスコンバータと接続する電力線が第１の交流回転電機および前記直流電源によって共有化される。

したがって、この発明によれば、電力線を構成するバスバーおよびそれに接続される双方向性スイッチを削減することができ、その結果、小型化および低コスト化を実現できる。

また、この発明によるハイブリッド自動車においては、接続部は、第１の交流回転電機と第２の交流回転電機との間で電力変換が行なわれるときに形成される閉回路に直流電源を直列に挿入するので、マトリックスコンバータの入力電圧を高電圧化できる。

したがって、この発明によれば、より大きな交流電力を第２の交流回転電機に供給することができ、その結果、高出力のハイブリッド自動車を実現できる。

また、この発明によるハイブリッド自動車においては、第１の交流回転電機の第１の中性点と第２の交流回転電機の第２の中性点との間に直流電源を双方向に接続する接続回路を備えるので、直流電源は、接続回路によって第１および第２の中性点間に接続され、マトリックスコンバータには直接接続されない。

したがって、この発明によれば、第１および第２の交流回転電機の各々が３相交流回転電機であれば、一般的な３×３のマトリックスコンバータを用いることができ、汎用的なマトリックスコンバータを採用することによってコストの低減を図ることができる。

また、この発明によれば、マトリックスコンバータは、第１の交流回転電機によって発電された交流電力を単相交流電力に変換し、その変換した単相交流電力を出力端子に接続される外部負荷へ出力するようにしたので、ハイブリッド自動車を電源設備として利用することができる。

また、この発明によるハイブリッド自動車においては、交流回転電機と、交流励磁回転電機と、交流励磁回転電機におけるロータの界磁コイルと交流回転電機との間に設けられるマトリックスコンバータとが備えられ、マトリックスコンバータは、交流回転電機から受ける交流電力の周波数を変換してロータの界磁コイルへ出力するようにしたので、交流励磁回転電機の回転を制御する電気システムがマトリックスコンバータを用いて構成される。

したがって、この発明によれば、小型化が要求されるハイブリッド自動車に交流励磁回転電機を適用することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、この発明によるハイブリッド自動車の全体構成を示す概略図である。

図１を参照して、ハイブリッド自動車１０は、バッテリ１２と、パワーコントロールユニット（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ、以下「ＰＣＵ」と称する。）１４と、ＡＣ出力コンセント１５と、動力出力装置１６と、ディファレンシャルギア（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｇｅａｒ、以下「ＤＧ」と称する。）１８と、前輪２０Ｒ，２０Ｌと、後輪２２Ｒ，２２Ｌと、フロントシート２４Ｒ，２４Ｌと、リアシート２６とを備える。

バッテリ１２は、たとえば、リアシート２６の後方に配設される。ＰＣＵ１４は、たとえば、フロントシート２４Ｒ，２４Ｌの下部に位置するフロア下領域に配設される。動力出力装置１６は、たとえば、ダッシュボード２８の前方のエンジンルームに配設される。そして、ＰＣＵ１４は、バッテリ１２および動力出力装置１６と電気的に接続される。また、動力出力装置１６は、ＤＧ１８と連結される。

直流電源であるバッテリ１２は、たとえば、ニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池からなる。バッテリ１２は、発生した直流電圧をＰＣＵ１４へ供給するとともに、ＰＣＵ１４から出力される直流電圧によって充電される。

ＰＣＵ１４は、動力出力装置１６に含まれる２台のモータジェネレータ（図示せず、以下同じ。）の一方から受ける交流電圧を別の周波数からなる交流電圧に変換して他方のモータジェネレータへ出力する。また、ＰＣＵ１４は、バッテリ１２から受ける直流電圧を交流電圧に変換して動力出力装置１６へ出力する。さらに、ＰＣＵ１４は、動力出力装置１６から受ける交流電圧を直流電圧に変換してバッテリ１２を充電する。

また、さらに、ＰＣＵ１４は、動力出力装置１６から受ける交流電圧を商用交流電圧に変換し、その変換した商用交流電圧をＡＣ出力コンセント１５に接続される外部負荷へ出力することができる。このＰＣＵ１４の構成については、後ほど詳しく説明する。

動力出力装置１６は、エンジン（図示せず、以下同じ。）および２台のモータジェネレータを含み、そのエンジンおよび２台のモータジェネレータを用いて動力を発生してＤＧ１８へ出力する。また、動力出力装置１６は、前輪２０Ｒ，２０Ｌの回転力を受けてモータジェネレータにより発電し、その発電した電力をＰＣＵ１４に供給する。さらに、動力出力装置１６は、エンジンの動力を用いてモータジェネレータにより電力を発電し、その発電した電力をＰＣＵ１４に供給する。

ＤＧ１８は、動力出力装置１６から受ける動力を前輪２０Ｒ，２０Ｌに伝達するとともに、前輪２０Ｒ，２０Ｌの回転力を動力出力装置１６に伝達する。

図２は、図１に示したＰＣＵ１４の構成を示す電気回路図である。

図２を参照して、ＰＣＵ１４は、マトリックスコンバータ３２と、制御装置３４と、コンデンサＣと、スイッチＳ１とを含む。マトリックスコンバータ３２は、電源ラインＬＡ〜ＬＣを介して、図１に示した動力出力装置１６に含まれるモータジェネレータＭＧ１と接続される。また、マトリックスコンバータ３２は、電源ラインＬａ〜Ｌｃを介して動力出力装置１６に含まれるモータジェネレータＭＧ２と接続される。さらに、マトリックスコンバータ３２は、電源ラインＬＤ，ＬＥを介してバッテリ１２と接続される。すなわち、バッテリ１２およびモータジェネレータＭＧ１は、マトリックスコンバータ３２に並列に接続される。コンデンサＣは、マトリックスコンバータ３２とバッテリ１２との間であって、電源ラインＬＤ，ＬＥ間に接続される。マトリックスコンバータ３２とモータジェネレータＭＧ２との間には、電源ラインＬａ，ＬｂにＡＣ出力コンセント１５が接続される。そして、スイッチＳ１は、ＡＣ出力コンセント１５を電源ラインＬａと接続するノードとモータジェネレータＭＧ２のＵ相コイルとの間に設けられる。

マトリックスコンバータ３２に接続されるモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、３相交流同期電動発電機からなる。モータジェネレータＭＧ１は、図１に示した動力出力装置１６に含まれるエンジンＥＮＧからの動力によって３相交流電力を発電し、その発電した３相交流電力を電源ラインＬＡ〜ＬＣを介してマトリックスコンバータ３２へ出力する。また、モータジェネレータＭＧ１は、マトリックスコンバータ３２から電源ラインＬＡ〜ＬＣを介して受ける３相交流電力によって回転力を発生し、その回転力によってエンジンＥＮＧを始動させることができる。

モータジェネレータＭＧ２は、マトリックスコンバータ３２から電源ラインＬａ〜Ｌｃを介して受ける３相交流電力によって回転力を発生し、その発生した回転力を駆動輪である前輪２０Ｒ，２０Ｌへ出力する。また、モータジェネレータＭＧ２は、前輪２０Ｒ，２０Ｌからの回転力を受け、その回転力によって発生される回生電力を電源ラインＬａ〜Ｌｃを介してマトリックスコンバータ３２へ出力する。

マトリックスコンバータ３２は、双方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃ，ＳＥａ〜ＳＥｃと、電源ラインＬＡ〜ＬＥ，Ｌａ〜Ｌｃとからなる。各双方向性スイッチＳＸｙ（「Ｘ」はＡ〜Ｅのいずれかであり、「ｙ」はａ〜ｃのいずれかである。以下同じ。）は、電源ラインＬＸと電源ラインＬｙとの間に接続される。そして、各双方向性スイッチＳＸｙは、制御装置３４からの制御信号に応じてスイッチング動作を行ない、オン状態のときは、対応する２つの電源ライン間で双方向に電流を流すことができる。また、各双方向性スイッチＳＸｙは、オフ状態のときは、対応する２つの電源ラインを電気的に分離する。

このマトリックスコンバータ３２は、モータジェネレータＭＧ１とモータジェネレータＭＧ２とバッテリ１２との間で相互に電力変換を行なう。具体的には、マトリックスコンバータ３２は、エンジンＥＮＧが接続されるモータジェネレータＭＧ１により発電される３相交流電力を受け、その受けた３相交流電力を用いてモータジェネレータＭＧ２にモータトルク指令に応じたトルクを発生させるため、その受けた３相交流電力を所望の電圧および周波数からなる３相交流電力に変換してモータジェネレータＭＧ２へ出力する。

また、マトリックスコンバータ３２は、回生動作時にモータジェネレータＭＧ２によって発電される３相交流電力を受け、その受けた３相交流電力を直流電力に変換してバッテリ１２を充電することができる。

さらに、マトリックスコンバータ３２は、モータジェネレータＭＧ１により発電される３相交流電力を受け、その受けた３相交流電力を直流電力に変換してバッテリ１２を充電することができる。

また、さらに、マトリックスコンバータ３２は、バッテリ１２からの直流電力を受け、その受けた直流電力を用いてモータジェネレータＭＧ２にモータトルク指令に応じたトルクを発生させるため、その受けた直流電力を所望の電圧および周波数からなる３相交流電力に変換してモータジェネレータＭＧ２へ出力することができる。

また、さらに、マトリックスコンバータ３２は、エンジンＥＮＧの始動時、バッテリ１２からの直流電力を受け、その受けた直流電力を３相交流電力に変換してモータジェネレータＭＧ１へ出力することができる。

また、さらに、マトリックスコンバータ３２は、このハイブリッド自動車１０が商用電源として用いられるとき、モータジェネレータＭＧ１により発電される３相交流電力を受け、その受けた３相交流電力を商用交流電力に変換してＡＣ出力コンセント１５へ出力することもできる。

コンデンサＣは、直流電源であるバッテリ１２が接続される電源ラインＬＤ，ＬＥの電圧平滑化のために設けられ、これによって、マトリックスコンバータ３２におけるスイッチング動作によるバッテリ１２へのリップルの影響が低減される。

スイッチＳ１は、このハイブリッド自動車１０が商用電源として用いられるとき、制御装置３４からの制御信号に応じてオフする。これによって、マトリックスコンバータ３２からモータジェネレータＭＧ２への電力供給が遮断され、マトリックスコンバータ３２からの商用交流電力は、ＡＣ出力コンセント１５へ出力される。

制御装置３４は、モータジェネレータＭＧ１とモータジェネレータＭＧ２とバッテリ１２との間で相互に電力変換を行なうため、マトリックスコンバータ３２における各双方向性スイッチＳＸｙのスイッチング動作を制御する。具体的には、制御装置３４は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２間で電力変換を行なうとき、双方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃをＰＷＭ制御し、その他の双方向性スイッチをオフする。この場合、双方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃのＰＷＭ制御については、３×３のマトリックスコンバータにおける公知のスイッチング手法を用いることができる。

その他の上述した回生動作時、モータジェネレータＭＧ１からバッテリ１２への充電時、バッテリ１２によるモータジェネレータＭＧ２の駆動（以下、「ＥＶ走行」とも称する。）時、エンジンＥＮＧの始動時、および商用交流電力出力時における各双方向性スイッチＳＸｙの具体的なスイッチング動作については、後ほど図を用いて説明する。

このＰＣＵ１４において、モータジェネレータＭＧ１と、モータジェネレータＭＧ２とバッテリ１２との間で相互に電力変換を行なうマトリックスコンバータ３２は、電力変換装置として以下の特徴を有する。

第１に、マトリックスコンバータ３２は、直流リンク部を介さずに電力変換を行なうため、直流リンク部に必要であったリアクトル等のエネルギー蓄積要素を必要としない。第２に、インバータを用いて交流を直流に一旦変換し、その変換された直流を別のインバータを用いて再び交流に変換する電力変換方式と比べて、スイッチング素子の数は増えるが、個々のスイッチング素子のサイズを小さくできる。

したがって、このマトリックスコンバータ３２によれば、電力変換装置全体としてみれば小型で大容量の電力変換装置を構成することができる。

図３は、図２に示した双方向性スイッチの構成を示す回路図である。

図３を参照して、双方向性スイッチＳＸｙは、パワートランジスタ５２，５４と、ダイオード５６，５８とからなる。パワートランジスタ５２，５４は、たとえば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）からなる。

パワートランジスタ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３４（図示せず、以下同じ。）からの制御信号をベースに受ける。ダイオード５６は、パワートランジスタ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。

また、パワートランジスタ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３４からの制御信号をベースに受ける。ダイオード５８は、パワートランジスタ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。

そして、パワートランジスタ５２とダイオード５６との接続点は、パワートランジスタ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。

この双方向性スイッチＳＸｙにおいては、制御装置３４からの制御信号が活性化されると、パワートランジスタ５２がオンし、パワートランジスタ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３４からの制御信号が活性化されると、パワートランジスタ５４もオンし、パワートランジスタ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。

したがって、制御装置３４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、パワートランジスタ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、パワートランジスタ５４に逆方向の電流は流れない。また、制御装置３４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、パワートランジスタ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、パワートランジスタ５２に逆方向の電流は流れない。

図４は、図２に示した双方向性スイッチの他の構成を示す回路図である。

図４を参照して、この双方向性スイッチＳＸｙは、パワートランジスタ７２，７４からなる。パワートランジスタ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ものである。

パワートランジスタ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３４（図示せず、以下同じ。）からの制御信号をベースに受ける。パワートランジスタ７４は、コレクタおよびエミッタがそれぞれ端子６２，６０に接続され、制御装置３４からの制御信号をベースに受ける。

この双方向性スイッチにおいては、制御装置３４からの制御信号が活性化されると、パワートランジスタ７２，７４がいずれもオンする。したがって、制御装置３４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、パワートランジスタ７２を介して端子６０から端子６２へ電流が流れる。なお、パワートランジスタ７４には逆バイアスがかかるが、パワートランジスタ７４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３４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、パワートランジスタ７４を介して端子６２から端子６０へ電流が流れる。なお、パワートランジスタ７２には逆バイアスがかかるが、パワートランジスタ７２も、逆耐圧を有するので、素子が破壊されることはない。

図５は、実施の形態１における回生動作時のスイッチング動作を説明するための回路図である。

図５を参照して、制御装置３４は、図示されない電圧センサによって検出されたモータジェネレータＭＧ２の各相の電圧およびバッテリ１２の端子間電圧に基づいて、モータジェネレータＭＧ２からバッテリ１２へ電力を供給するためのＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を双方向性スイッチＳＤａ〜ＳＤｃ，ＳＥａ〜ＳＥｃへ出力する。

そうすると、双方向性スイッチＳＤａ〜ＳＤｃ，ＳＥａ〜ＳＥｃの各々は、制御装置３４から受けるＰＷＭ信号に応じてオン／オフし、双方向性スイッチＳＤａ〜ＳＤｃ，ＳＥａ〜ＳＥｃは、モータジェネレータＭＧ２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１２へ出力する。これによって、モータジェネレータＭＧ２によって回生発電された電力がバッテリ１２に充電される。

図６は、実施の形態１におけるモータジェネレータＭＧ１からバッテリ１２への充電時のスイッチング動作を説明するための回路図である。

図６を参照して、たとえば、図に示されるようにモータジェネレータＭＧ１のＵ，Ｖ各相コイルにおいてそれぞれ最大相電圧および最小相電圧が発生しているとき、制御装置３４は、モータジェネレータＭＧ１からの３相交流電力を所望の３相交流電力に変換して電源ラインＬａ〜Ｌｃへ出力するためのＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を双方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃへ出力する。ここで、制御装置３４は、図示されないモータジェネレータＭＧ２の回転位置センサによってモータジェネレータＭＧ２の回転角θを検出し、モータジェネレータＭＧ２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上述したＰＷＭ信号を生成する。このようなＰＷＭ信号を生成するのは、モータジェネレータＭＧ１からモータジェネレータＭＧ２へのパワーフローが発生しないようにするためである。

そして、制御装置３４は、双方向性スイッチＳＤａ〜ＳＤｃ，ＳＥａ〜ＳＥｃがそれぞれ双方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃと同期してスイッチング動作するように、双方向性スイッチＳＤａ〜ＳＤｃ，ＳＥａ〜ＳＥｃへ制御信号を出力する。

これによって、モータジェネレータＭＧ１からモータジェネレータＭＧ２へのパワーフローを発生させることなく、モータジェネレータＭＧ１によってバッテリ１２が充電される。

図７は、実施の形態１におけるＥＶ走行時のスイッチング動作を説明するための回路図である。

図７を参照して、制御装置３４は、モータジェネレータＭＧ２のトルク指令値、モータジェネレータＭＧ２の各相電流値、およびバッテリ１２の出力電圧に基づいてモータジェネレータＭＧ２の各相コイルの電圧を演算する。そして、制御装置３４は、そ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信号を双方向性スイッチＳＤａ〜ＳＤｃ，ＳＥａ〜ＳＥｃへ出力する。

そうすると、双方向性スイッチＳＤａ〜ＳＤｃ，ＳＥａ〜ＳＥｃの各々は、制御装置３４から受けるＰＷＭ信号に応じてオン／オフし、双方向性スイッチＳＤａ〜ＳＤｃ，ＳＥａ〜ＳＥｃは、バッテリ１２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１２から出力される直流電力がマトリックスコンバータ３２によって交流電力に変換されてモータジェネレータＭＧ２へ出力される。

図８は、実施の形態１におけるエンジン始動時のスイッチング動作を説明するための回路図である。

図８を参照して、たとえば、図に示されるように、モータジェネレータＭＧ１においてＵ相コイルからＶ相コイルに流れるステータ電流をＰＵＣ１４によって生成するとき、制御装置３４は、バッテリ１２からの直流電力を所望の３相交流電力に変換して電源ラインＬａ〜Ｌｃへ出力するためのＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を双方向性スイッチＳＤａ〜ＳＤｃ，ＳＥａ〜ＳＥｃへ出力する。ここで、制御装置３４は、モータジェネレータＭＧ２の回転角θに基づいて、モータジェネレータＭＧ２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上述したＰＷＭ信号を生成する。このようなＰＷＭ信号を生成するのは、バッテリ１２からモータジェネレータＭＧ２へのパワーフローが発生しないようにするためである。

そして、制御装置３４は、双方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃがそれぞれ双方向性スイッチＳＤａ〜ＳＤｃ，ＳＥａ〜ＳＥｃと同期してスイッチング動作するように、双方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃへ制御信号を出力する。

これによって、バッテリ１２からモータジェネレータＭＧ２へのパワーフローを発生させることなく、バッテリ１２によってモータジェネレータＭＧ１を回転させることができ、モータジェネレータＭＧ１の回転力によってエンジンＥＮＧを始動させることができる。

図９は、実施の形態１において、ＰＣＵ１４からＡＣ出力コンセント１５へ商用交流電力が出力されるときのスイッチング動作を説明するための回路図である。

図９を参照して、制御装置３４は、図示されない電圧センサによって検出されたモータジェネレータＭＧ１の各相の電圧およびＡＣ出力コンセント１５の端子間電圧に基づいて、モータジェネレータＭＧ１からＡＣ出力コンセント１５へ商用交流電力を供給するためのＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を双方向性スイッチＳＡａ，ＳＡｂ，ＳＢａ，ＳＢｂ，ＳＣａ，ＳＣｂへ出力する。

そうすると、双方向性スイッチＳＡａ，ＳＡｂ，ＳＢａ，ＳＢｂ，ＳＣａ，ＳＣｂの各々は、制御装置３４から受けるＰＷＭ信号に応じてオン／オフし、双方向性スイッチＳＡａ，ＳＡｂ，ＳＢａ，ＳＢｂ，ＳＣａ，ＳＣｂは、モータジェネレータＭＧ１から電源ラインＬＡ〜ＬＣに出力される３相交流電力を商用交流電力に変換して電源ラインＬａ，Ｌｂへ出力する。これによって、電源ラインＬａ，Ｌｂに接続されたＡＣ出力コンセント１５から商用交流電力を出力することができる。

ここで、ＡＣ出力コンセント１５から商用交流電力が出力されるとき、制御装置３４は、スイッチＳ１をオフする。したがって、モータジェネレータＭＧ１とモータジェネレータＭＧ２との間に閉回路は構成されず、モータジェネレータＭＧ１からモータジェネレータＭＧ２へのパワーフローは発生しない。

以上のように、この実施の形態１によれば、モータジェネレータＭＧ１とモータジェネレータＭＧ２とバッテリ１２との間で相互に電力変換を行なう電力変換装置としてマトリックスコンバータ３２を用いたので、直流リンク部を介することなく、モータジェネレータＭＧ１とモータジェネレータＭＧ２とバッテリ１２との間で相互かつ直接に電力変換が行なわれる。したがって、電力損失の小さい高効率なハイブリッド自動車１０が実現される。また、直流リンク部に必要であったリアクトルやコンデンサが不要となるため、小型かつ静粛性に優れたハイブリッド自動車１０が実現される。

［実施の形態２］
実施の形態２では、実施の形態１における電気システムの構成において、マトリックスコンバータに並列に接続されるバッテリ１２およびモータジェネレータＭＧ１をマトリックスコンバータと接続する電源ラインが一部共通化される。

実施の形態２によるハイブリッド自動車の全体構成は、図１に示した実施の形態１によるハイブリッド自動車１０と同じである。

図１０は、実施の形態２におけるＰＣＵの構成を示す電気回路図である。

図１０を参照して、ＰＣＵ１４Ａは、図２に示した実施の形態１におけるＰＣＵ１４の構成において、マトリックスコンバータ３２に代えてマトリックスコンバータ３２Ａを含む。マトリックスコンバータ３２Ａは、電源ラインＬＥおよび双方向性スイッチＳＥａ〜ＳＥｃを備えていない点において実施の形態１におけるマトリックスコンバータ３２の構成と異なる。そして、バッテリ１２は、電源ラインＬＣ，ＬＤを介してマトリックスコンバータ３２Ａと接続され、コンデンサＣは、バッテリ１２に対応して電源ラインＬＣ，ＬＤ間に接続される。

すなわち、この実施の形態２においては、モータジェネレータＭＧ１のＷ相コイルをマトリックスコンバータ３２Ａと接続する電源ラインとバッテリ１２の正極をマトリックスコンバータ３２Ａと接続する電源ラインとが共通化される。これによって、電力ラインを構成するバスバーおよびそれに接続される双方向性スイッチが削減され、ＰＣＵ１４Ａの小型化が図られている。

この実施の形態２におけるマトリックスコンバータ３２Ａは、実施の形態１におけるマトリックスコンバータ３２と同様に、モータジェネレータＭＧ１とモータジェネレータＭＧ２とバッテリ１２との間で相互に電力変換を行なうが、上述した電源ラインの共有化によって、モータジェネレータＭＧ１とバッテリ１２との間では、直接電力変換を行なうことはできない。そこで、マトリックスコンバータ３２Ａは、モータジェネレータＭＧ２を介してモータジェネレータＭＧ１とバッテリ１２との間で電力変換を行なう。

図１１，図１２は、実施の形態２におけるエンジン始動時のスイッチング動作を説明するための回路図である。

図１１を参照して、制御装置３４は、モータジェネレータＭＧ２の回転角θに基づいて、モータジェネレータＭＧ２におけるｑ軸電流を０とする電圧パターンでバッテリ１２からモータジェネレータＭＧ２へ電流を流すためのＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を双方向性スイッチＳＤａ〜ＳＤｃ，ＳＥａ〜ＳＥｃへ出力する。

そうすると、バッテリ１２から出力される直流電力がマトリックスコンバータ３２Ａによって３相交流電力に変換されてモータジェネレータＭＧ２に供給されるが、モータジェネレータＭＧ２において回転力は発生しない。そして、バッテリ１２からモータジェネレータＭＧ２に供給された電力の一部は、モータジェネレータＭＧ２の各相コイルに蓄積される。

図１２を参照して、その後、制御装置３４は、双方向性スイッチＳＤａ〜ＳＤｃ，ＳＥａ〜ＳＥｃをすべてオフする。そして、たとえば図に示されるように、モータジェネレータＭＧ１においてＵ相コイルからＶ相コイルに流れるステータ電流をＰＵＣ１４Ａによって生成するとき、制御装置３４は、双方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃをオン／オフするＰＷＭ信号を生成して出力する。

そうすると、モータジェネレータＭＧ２に蓄積されていたエネルギーがマトリックスコンバータ３２Ａによって所望の３相交流電力に変換されてモータジェネレータＭＧ１に供給され、モータジェネレータＭＧ１に回転力が発生する。したがって、この回転力によってエンジンＥＮＧを始動させることができる。

なお、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２間における電力変換時、モータジェネレータＭＧ２とバッテリ１２との間で電力変換が行なわれる回生動作時およびＥＶ走行時、ならびにＰＣＵ１４ＡからＡＣ出力コンセント１５への商用交流電力時におけるＰＣＵ１４Ａの動作は、実施の形態１におけるＰＣＵ１４の動作と基本的に同じである。

以上のように、この実施の形態２によれば、モータジェネレータＭＧ１をマトリックスコンバータ３２Ａと接続する電源ラインとバッテリ１２をマトリックスコンバータ３２Ａと接続する電源ラインとを一部共通化したので、電源ラインを構成するバスバーおよびそれに接続される双方向性スイッチを削減することができる。したがって、ＰＣＵ１４Ａが小型化かつ低コスト化され、それによってハイブリッド自動車の小型化および低コスト化が実現される。

［実施の形態３］
実施の形態３では、マトリックスコンバータに並列に接続されるバッテリ１２およびモータジェネレータＭＧ１を直列化することができ、マトリックスコンバータによるモータジェネレータＭＧ１からモータジェネレータＭＧ２への電力変換の際にマトリックスコンバータの入力電圧が高電圧化される。

実施の形態３によるハイブリッド自動車の全体構成は、図１に示した実施の形態１によるハイブリッド自動車１０と同じである。

図１３は、実施の形態３におけるＰＣＵの構成を示す電気回路図である。

図１３を参照して、ＰＣＵ１４Ｂは、図２に示した実施の形態１におけるＰＣＵ１４の構成において、マトリックスコンバータ３２に代えてマトリックスコンバータ３２Ｂを含む。マトリックスコンバータ３２Ｂは、電源ラインＬｄ〜Ｌｉと、双方向性スイッチＳＤｄ，ＳＤｆ，ＳＤｈ，ＳＥｅ，ＳＥｇ，ＳＥｉとをさらに含む点においてマトリックスコンバータ３２の構成と異なり、その他の構成は、マトリックスコンバータ３２と同じである。

電源ラインＬｄ，Ｌｅは電源ラインＬＡと接続され、電源ラインＬｆ，Ｌｇは電源ラインＬＢと接続され、電源ラインＬｈ，Ｌｉは電源ラインＬＣと接続される。６つの双方向性スイッチＳＺｗ（「Ｚ」はＤ，Ｅのいずれかであり、「ｗ」はｄ〜ｉのいずれかである。）は、電源ラインＬＺと電源ラインＬｗとの間に接続される。

この実施の形態３におけるマトリックスコンバータ３２Ｂは、双方向性スイッチＳＸｙを用いて実施の形態１におけるマトリックスコンバータ３２と同様の動作を行なうほか、モータジェネレータＭＧ１からモータジェネレータＭＧ２への電力変換の際に、双方向性スイッチＳＤｄ，ＳＤｆ，ＳＤｈ，ＳＥｅ，ＳＥｇ，ＳＥｉを用いてバッテリ１２をモータジェネレータＭＧ１と直列化してマトリックスコンバータ３２Ｂの入力電圧を高電圧化することができる。

図１４，図１５は、バッテリ１２がモータジェネレータＭＧ１と直列化されるときのスイッチング動作を説明するための回路図である。

図１４を参照して、たとえば、図に示されるようにモータジェネレータＭＧ１のＵ，Ｖ各相コイルにおいてそれぞれ最大相電圧および最小相電圧が発生しているとき、制御装置３４は、双方向性スイッチＳＥｅをオンさせる。そして、制御装置３４は、モータジェネレータＭＧ２のトルク指令値、モータジェネレータＭＧ２の各相電流値、ならびにモータジェネレータＭＧ１およびバッテリ１２の出力電圧に基づいてモータジェネレータＭＧ２の各相コイルの電圧を算出し、その算出結果に基づいてＰＷＭ信号を生成して双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃへ出力する。

そうすると、モータジェネレータＭＧ２からみて、双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃ、モータジェネレータＭＧ１のＶ相コイル、Ｕ相コイル、電源ラインＬＡ、電源ラインＬｅ、双方向性スイッチＳＥｅ、バッテリ１２、および双方向性スイッチＳＤａ〜ＳＤｃを経由する電流ルートが形成される。

図１５を参照して、モータジェネレータＭＧ１のＶ，Ｕ各相コイルにおいてそれぞれ最大相電圧および最小相電圧が発生しているときは、制御装置３４は、双方向性スイッチＳＤｄをオンさせる。そして、制御装置３４は、モータジェネレータＭＧ２の各相コイルの電圧を算出し、その算出結果に基づいてＰＷＭ信号を生成して双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＥａ〜ＳＥｃへ出力する。

そうすると、モータジェネレータＭＧ２からみて、双方向性スイッチＳＥａ〜ＳＥｃ、バッテリ１２、双方向性スイッチＳＤｄ、電源ラインＬｄ、電源ラインＬＡ、モータジェネレータＭＧ１のＵ相コイル、Ｖ相コイル、および双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃを経由する電流ルートが形成される。

なお、モータジェネレータＭＧ１のＵ，Ｖ各相コイルにおいてそれぞれ最大相電圧および最小相電圧が発生しているとき、制御装置３４は、双方向性スイッチＳＤｆをオンさせ、双方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＥａ〜ＳＥｃをＰＷＭ制御するようにしてもよく、モータジェネレータＭＧ１のＶ，Ｕ各相コイルにおいてそれぞれ最大相電圧および最小相電圧が発生しているとき、制御装置３４は、双方向性スイッチＳＥｇをオンさせ、双方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃをＰＷＭ制御するようにしてもよい。

そして、特に図示しないが、モータジェネレータＭＧ１のＵ，Ｗ各相コイルにおいてそれぞれ最大相電圧および最小相電圧が発生しているときは、制御装置３４は、双方向性スイッチＳＥｅをオンさせ、双方向性スイッチＳＣａ〜ＳＣｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃをＰＷＭ制御するか、または、双方向性スイッチＳＤｈをオンさせ、双方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＥａ〜ＳＥｃをＰＷＭ制御すればよい。

また、モータジェネレータＭＧ１のＷ，Ｕ各相コイルにおいてそれぞれ最大相電圧および最小相電圧が発生しているときは、制御装置３４は、双方向性スイッチＳＤｄをオンさせ、双方向性スイッチＳＣａ〜ＳＣｃ，ＳＥａ〜ＳＥｃをＰＷＭ制御するか、または、双方向性スイッチＳＥｉをオンさせ、双方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃをＰＷＭ制御すればよい。

さらに、モータジェネレータＭＧ１のＶ，Ｗ各相コイルにおいてそれぞれ最大相電圧および最小相電圧が発生しているときは、制御装置３４は、双方向性スイッチＳＥｇをオンさせ、双方向性スイッチＳＣａ〜ＳＣｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃをＰＷＭ制御するか、または、双方向性スイッチＳＤｈをオンさせ、双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＥａ〜ＳＥｃをＰＷＭ制御すればよい。

また、さらに、モータジェネレータＭＧ１のＷ，Ｖ各相コイルにおいてそれぞれ最大相電圧および最小相電圧が発生しているときは、制御装置３４は、双方向性スイッチＳＤｆをオンさせ、双方向性スイッチＳＣａ〜ＳＣｃ，ＳＥａ〜ＳＥｃをＰＷＭ制御するか、または、双方向性スイッチＳＥｉをオンさせ、双方向性スイッチＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃをＰＷＭ制御すればよい。

このようにして、バッテリ１２をモータジェネレータＭＧ１と直列化することができ、これによって、モータジェネレータＭＧ１およびバッテリ１２が直列化されるときの最大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ＭＧ２に供給することができる。

なお、上記において、電源ラインＬｄ〜Ｌｉおよび双方向性スイッチＳＤｄ，ＳＤｆ，ＳＤｈ，ＳＥｅ，ＳＥｇ，ＳＥｉは、「接続部」を構成する。

以上のように、この実施の形態３によれば、バッテリ１２をモータジェネレータＭＧ１と直列化してマトリックスコンバータ３２Ｂの入力電圧を高電圧化できるようにしたので、より大きな交流電力をモータジェネレータＭＧ２に供給することができる。したがって、この実施の形態３によれば、高出力のハイブリッド自動車を実現できる。

［実施の形態４］
実施の形態１〜３では、バッテリ１２は、モータジェネレータＭＧ１と並列にマトリックスコンバータに接続されるが、この実施の形態４では、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各中性点の間にバッテリ１２が接続される。

実施の形態４によるハイブリッド自動車の全体構成は、図１に示した実施の形態１によるハイブリッド自動車１０と同じである。

図１６は、実施の形態４におけるＰＣＵの構成を示す電気回路図である。

図１６を参照して、このＰＣＵ１４Ｃは、図２に示した実施の形態１におけるＰＣＵ１４の構成において、Ｈ形ブリッジ回路４２をさらに含み、マトリックスコンバータ３２に代えてマトリックスコンバータ３２Ｃを含む。Ｈ形ブリッジ回路４２は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各中性点の間に接続される。そして、バッテリ１２は、電源ラインＰＬおよび接地ラインＳＬを介してＨ形ブリッジ回路４２に接続され、コンデンサＣは、バッテリ１２に対応して電源ラインＰＬと接地ラインＳＬとの間に接続される。

マトリックスコンバータ３２Ｃは、電源ラインＬＤ，ＬＥおよび双方向性スイッチＳＤａ〜ＳＤｃ，ＳＥａ〜ＳＥｃを備えていない点において実施の形態１におけるマトリックスコンバータ３２の構成と異なり、その他の構成は、マトリックスコンバータ３２と同じである。

Ｈ形ブリッジ回路４２は、パワートランジスタＱ１〜Ｑ４と、ダイオードＤ１〜Ｄ４と、電源ラインＰＬと、接地ラインＳＬとからなる。パワートランジスタＱ１〜Ｑ４は、たとえばＩＧＢＴからなる。パワートランジスタＱ１，Ｑ２は、電源ラインＰＬと接地ラインＳＬとの間に直列に接続される。パワートランジスタＱ３，Ｑ４も、電源ラインＰＬと接地ラインＳＬとの間に直列に接続される。また、各パワートランジスタＱ１〜Ｑ４のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ１〜Ｄ４がそれぞれ接続されている。そして、パワートランジスタＱ１，Ｑ２の接続点は、電源ラインＮＬ１を介してモータジェネレータＭＧ１の中性点に接続され、パワートランジスタＱ３，Ｑ４の接続点は、電源ラインＮＬ２を介してモータジェネレータＭＧ２の中性点に接続されている。

Ｈ形ブリッジ回路４２は、制御装置３４からの制御信号に応じてパワートランジスタＱ１〜Ｑ４をスイッチング動作させることによって、バッテリ１２を電源ラインＮＬ１，ＮＬ２に双方向に接続することができる。すなわち、Ｈ形ブリッジ回路４２は、パワートランジスタＱ１，Ｑ４をオンさせ、かつ、パワートランジスタＱ２，Ｑ３をオフさせることによって、バッテリ１２の正極および負極をそれぞれ電源ラインＮＬ１，ＮＬ２と電気的に接続する。また、Ｈ形ブリッジ回路４２は、パワートランジスタＱ１，Ｑ４をオフさせ、かつ、パワートランジスタＱ２，Ｑ３をオンさせることによって、バッテリ１２の負極および正極をそれぞれ電源ラインＮＬ１，ＮＬ２と電気的に接続する。

このＰＣＵ１４Ｃにおいては、３×３の双方向性スイッチからなるマトリックスコンバータ３２Ｃを公知の手法でＰＷＭ制御することによって、モータジェネレータＭＧ１とモータジェネレータＭＧ２との間で直接交流／交流変換を行なう。そして、このＰＣＵ１４Ｃにおいても、実施の形態１と同様に、回生動作、ＥＶ走行、エンジンＥＮＧの始動、および商用交流電力の出力を行なうことができる。

図１７は、実施の形態４における回生動作時のスイッチング動作を説明するための回路図である。

図１７を参照して、制御装置３４は、回生動作時、Ｈ形ブリッジ回路４２のパワートランジスタＱ１〜Ｑ４をすべてオフさせる。そして、制御装置３４は、たとえば図に示されるように、モータジェネレータＭＧ２のＵ相コイルにおいて最大電圧が印加されているとき、図示されない電圧センサによって検出されたモータジェネレータＭＧ２のＵ相コイル電圧およびバッテリ１２の端子間電圧に基づいて、モータジェネレータＭＧ２からバッテリ１２へ電力を供給するためのＰＷＭ信号を生成する。そして、制御装置３４は、その生成したＰＷＭ信号を双方向性スイッチＳＡａ，ＳＢａ，ＳＣａへ出力し、双方向性スイッチＳＡａ，ＳＢａ，ＳＣａを同時にオン／オフさせる。

そうすると、モータジェネレータＭＧ２からみて、双方向性スイッチＳＡａ，ＳＢａ，ＳＣａ、モータジェネレータＭＧ１、電源ラインＮＬ１、Ｈ形ブリッジ回路４２のダイオードＤ１、バッテリ１２、ダイオードＤ４、および電源ラインＮＬ２からなる閉回路が形成され、モータジェネレータＭＧ２によって回生発電された電力がバッテリ１２に充電される。

なお、特に図示しないが、モータジェネレータＭＧ２のＶ相コイルにおいて最大電圧が印加されているときは、双方向性スイッチＳＡｂ，ＳＢｂ，ＳＣｂが同時にＰＷＭ制御され、モータジェネレータＭＧ２のＷ相コイルにおいて最大電圧が印加されているときは、双方向性スイッチＳＡｃ，ＳＢｃ，ＳＣｃが同時にＰＷＭ制御される。

図１８，図１９は、実施の形態４におけるＥＶ走行時のスイッチング動作を説明するための回路図である。

図１８を参照して、たとえば、モータジェネレータＭＧ２のＵ相コイルに図に示される方向の電流を発生させるとき、制御装置３４は、Ｈ形ブリッジ回路４２のパワートランジスタＱ１，Ｑ４をオンさせ、パワートランジスタＱ２，Ｑ３をオフさせる。そして、制御装置３４は、モータジェネレータＭＧ２のトルク指令値、モータジェネレータＭＧ２の各相電流値、およびバッテリ１２の出力電圧に基づいて各相コイル電圧を算出し、算出したＵ相コイル電圧に基づいてＰＷＭ信号を生成する。そして、制御装置３４は、その生成したＰＷＭ信号を双方向性スイッチＳＡａ，ＳＢａ，ＳＣａへ出力し、双方向性スイッチＳＡａ，ＳＢａ，ＳＣａを同時にオン／オフさせる。

そうすると、バッテリ１２からみて、Ｈ形ブリッジ回路４２のパワートランジスタＱ１、電源ラインＮＬ１、モータジェネレータＭＧ１、双方向性スイッチＳＡａ，ＳＢａ，ＳＣａ、モータジェネレータＭＧ２のＵ相コイル、電源ラインＮＬ２、およびＨ形ブリッジ回路４２のパワートランジスタＱ４からなる閉回路が形成され、モータジェネレータＭＧ２のＵ相コイルに所望の電流が流される。

図１９を参照して、モータジェネレータＭＧ２のＷ相コイルに図に示される方向の電流を発生させるときは、制御装置３４は、Ｈ形ブリッジ回路４２のパワートランジスタＱ２，Ｑ３をオンさせ、パワートランジスタＱ１，Ｑ４をオフさせる。そして、制御装置３４は、生成したＰＷＭ信号に応じて双方向性スイッチＳＡｃ，ＳＢｃ，ＳＣｃを同時にオン／オフさせる。

そうすると、この場合は、バッテリ１２からみて、Ｈ形ブリッジ回路４２のパワートランジスタＱ３、電源ラインＮＬ２、モータジェネレータＭＧ２のＷ相コイル、双方向性スイッチＳＡｃ，ＳＢｃ，ＳＣｃ、モータジェネレータＭＧ１、電源ラインＮＬ１、およびＨ形ブリッジ回路４２のパワートランジスタＱ２からなる閉回路が形成され、モータジェネレータＭＧ２のＷ相コイルに所望の電流が流される。

同様にして、モータジェネレータＭＧ２のその他のコイルにも電流が流され、モータジェネレータＭＧ２の各相コイルにバッテリ１２からの出力電力による電流を順次流すことによって、モータジェネレータＭＧ２に回転力が発生する。

図２０は、実施の形態４におけるエンジン始動時のスイッチング動作を説明するための回路図である。

図２０を参照して、エンジン始動時におけるＰＣＵ１４Ｃのスイッチング動作は、基本的には、図１８，図１９に示したＥＶ走行時においてモータジェネレータＭＧ１とモータジェネレータＭＧ２とを置き換えて考えればよい。すなわち、たとえば、モータジェネレータＭＧ１のＵ相コイルに図に示される方向の電流を発生させるとき、制御装置３４は、Ｈ形ブリッジ回路４２のパワートランジスタＱ２，Ｑ３をオンさせ、パワートランジスタＱ１，Ｑ４をオフさせる。そして、制御装置３４は、生成したＰＷＭ信号に応じて双方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃを同時にオン／オフさせる。

そうすると、バッテリ１２からみて、Ｈ形ブリッジ回路４２のパワートランジスタＱ３、電源ラインＮＬ２、モータジェネレータＭＧ２、双方向性スイッチＳＡａ〜ＳＡｃ、モータジェネレータＭＧ２のＵ相コイル、電源ラインＮＬ１、およびＨ形ブリッジ回路４２のパワートランジスタＱ２からなる閉回路が形成され、モータジェネレータＭＧ２のＵ相コイルに所望の電流が流される。

そして、特に図示しないが、モータジェネレータＭＧ１の各相コイルに順次バッテリ１２からの出力電力による電流を順次流すことによって、モータジェネレータＭＧ１に回転が発生し、これによってエンジンＥＮＧを始動させることができる。

なお、上記において、Ｈ形ブリッジ回路４２は、「接続回路」を構成する。

以上のように、この実施の形態４によれば、バッテリ１２は、モータジェネレータＭＧ１の中性点とモータジェネレータＭＧ２の中性点との間に接続され、マトリックスコンバータ３２Ｃには、直接接続されない。したがって、この実施の形態４によれば、一般的な３×３の双方向性スイッチからなるマトリックスコンバータ３２Ｃを用いることができ、汎用的なマトリックスコンバータの採用によるコスト低減を図ることができる。

［実施の形態５］
実施の形態５では、ハイブリッド自動車の駆動力を発生するモータに交流励磁回転電機が用いられ、その交流励磁回転電機におけるロータの界磁電流の生成にマトリックスコンバータが適用される。

実施の形態５によるハイブリッド自動車の全体構成は、図１に示した実施の形態１によるハイブリッド自動車１０と同じである。

図２１は、実施の形態５によるハイブリッド自動車における電気システムの構成を示す電気回路図である。

図２１を参照して、この電気システムは、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ３と、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬと、ＰＣＵ１４Ｄとを含む。ＰＣＵ１４Ｄは、マトリックスコンバータ３２Ｃと、制御装置３４Ａとからなる。

モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ３は、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬによって相互に接続される。マトリックスコンバータ３２Ｃの電源ラインＬＡ〜ＬＣは、それぞれＵ，Ｖ，Ｗ各相ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬに接続される。そして、マトリックスコンバータ３２Ｃの電源ラインＬａ〜Ｌｃは、モータジェネレータＭＧ３のロータに巻回されるＵ，Ｖ，Ｗ各相コイルに接続される。

モータジェネレータＭＧ３は、３相交流励磁同期モータである。３相交流励磁同期モータは、ステータに３相コイル（以下、「ステータコイル」と称する。）が巻回されるとともに、ロータにも巻回された３相コイル（以下、「ロータコイル」と称する。）を有する同期モータである。３相交流励磁同期モータのステータコイルおよびロータコイルにそれぞれ周波数ω１，ω２の３相交流電圧が印加されると、ステータコイルおよびロータコイルは、それぞれ角速度ω１，ω２で回転する回転磁界を発生し、ロータは、両角速度の和（ω１＋ω２）あるいは両角速度の差（ω１−ω２）からなる角速度で回転する。したがって、たとえば、ステータの回転磁界の角速度ω１を固定速度とし、ロータの回転磁界の角速度ω２を可変とすることによって、３相交流励磁同期モータの速度制御を行なうことができる。

マトリックスコンバータ３２Ｃは、モータジェネレータＭＧ１をモータジェネレータＭＧ２と接続するＵ，Ｖ，Ｗ各相ラインに接続され、モータジェネレータＭＧ１から出力される３相交流電力を受ける。そして、マトリックスコンバータ３２Ｃは、制御装置３４からの制御信号に応じて、その受けた３相交流電力を所望の周波数からなる３相交流電力に変換してモータジェネレータＭＧ３のロータコイルへ出力する。

制御装置３４は、図示されない速度センサによって検出されるモータジェネレータＭＧ１の回転速度およびモータジェネレータＭＧ３の回転速度指令に基づいて、モータジェネレータＭＧ３のロータコイルへ印加する３相交流電力の周波数を算出する。そして、制御装置３４は、その算出した周波数からなる３相交流電力を生成するためのＰＷＭ信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号をマトリックスコンバータ３２Ｃの各双方向性スイッチへ出力する。

この実施の形態３における電気システムにおいては、モータジェネレータＭＧ３は、モータジェネレータＭＧ１によって発電された３相交流電力をＵ，Ｖ，Ｗ各相ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬを介してＵ，Ｖ，Ｗ各相のステータコイルに受ける。マトリックスコンバータ３２Ｃは、モータジェネレータＭＧ１によって発電された３相交流電力を受け、制御装置３４からのＰＷＭ信号に応じて、その受けた３相交流電力を所望の周波数からなる３相交流電力に変換し、その周波数変換した３相交流電力をモータジェネレータＭＧ３のロータコイルへ出力する。

したがって、モータジェネレータＭＧ３のロータコイルへ出力される３相交流電力の周波数をマトリックスコンバータ３２Ｃにより制御することによって、モータジェネレータＭＧ３の速度制御を行なうことができる。

以上のように、この実施の形態５によれば、３相交流励磁同期モータからなるモータジェネレータＭＧ３の回転を制御する電気システムをマトリックスコンバータを用いて構成したので、小型化が要求されるハイブリッド自動車においても交流励磁回転電機を適用することができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明によるハイブリッド自動車の全体構成を示す概略図である。 図１に示すＰＣＵの構成を示す電気回路図である。 図２に示す双方向性スイッチの構成を示す回路図である。 図２に示す双方向性スイッチの他の構成を示す回路図である。 実施の形態１における回生動作時のスイッチング動作を説明するための回路図である。 実施の形態１におけるモータジェネレータＭＧ１からバッテリへの充電時のスイッチング動作を説明するための回路図である。 実施の形態１におけるＥＶ走行時のスイッチング動作を説明するための回路図である。 実施の形態１におけるエンジン始動時のスイッチング動作を説明するための回路図である。 実施の形態１において、ＰＣＵからＡＣ出力コンセントへ商用交流電力が出力されるときのスイッチング動作を説明するための回路図である。 実施の形態２におけるＰＣＵの構成を示す電気回路図である。 実施の形態２におけるエンジン始動時のスイッチング動作を説明するための第１の回路図である。 実施の形態２におけるエンジン始動時のスイッチング動作を説明するための第２の回路図である。 実施の形態３におけるＰＣＵの構成を示す電気回路図である。 バッテリがモータジェネレータＭＧ１と直列化されるときのスイッチング動作を説明するための第１の回路図である。 バッテリがモータジェネレータＭＧ１と直列化されるときのスイッチング動作を説明するための第２の回路図である。 実施の形態４におけるＰＣＵの構成を示す電気回路図である。 実施の形態４における回生動作時のスイッチング動作を説明するための回路図である。 実施の形態４におけるＥＶ走行時のスイッチング動作を説明するための第１の回路図である。 実施の形態４におけるＥＶ走行時のスイッチング動作を説明するための第２の回路図である。 実施の形態４におけるエンジン始動時のスイッチング動作を説明するための回路図である。 実施の形態５によるハイブリッド自動車における電気システムの構成を示す電気回路図である。

符号の説明

１０ ハイブリッド自動車、１２ バッテリ、１４，１４Ａ〜１４Ｄ ＰＣＵ、１５ ＡＣ出力コンセント、１６ 動力出力装置、１８ ＤＧ、２０Ｒ，２０Ｌ 前輪、２２Ｒ，２２Ｌ 後輪、２４Ｒ，２４Ｌ フロントシート、２６ リアシート、２８ ダッシュボード、３２，３２Ａ〜３２Ｃ マトリックスコンバータ、３４，３４Ａ 制御装置、４２ Ｈ形ブリッジ回路、５２，５４，７２，７４，Ｑ１〜Ｑ４ パワートランジスタ、５６，５８，Ｄ１〜Ｄ４ ダイオード、６０，６２ 端子、ＭＧ１〜ＭＧ３ モータジェネレータ、ＥＮＧ エンジン、Ｃ コンデンサ、Ｓ１ スイッチ、ＳＡａ〜ＳＡｃ，ＳＢａ〜ＳＢｃ，ＳＣａ〜ＳＣｃ，ＳＤａ〜ＳＤｃ，ＳＤｄ，ＳＤｆ，ＳＤｈ，ＳＥａ〜ＳＥｃ，ＳＥｅ，ＳＥｇ，ＳＥｉ 双方向性スイッチ、ＬＡ〜ＬＥ，Ｌａ〜Ｌｉ，ＰＬ，ＮＬ１，ＮＬ２ 電源ライン、ＳＬ 接地ライン、ＵＬ Ｕ相ライン、ＶＬ Ｖ相ライン、ＷＬ Ｗ相ライン。

Claims (9)

1. エンジンと、
   前記エンジンに接続される第１の交流回転電機と、
   車両の駆動軸に接続される第２の交流回転電機と、
   充放電可能な直流電源と、
   前記第１および第２の交流回転電機ならびに前記直流電源が接続され、前記第１の交流回転電機と前記第２の交流回転電機と前記直流電源との間で相互に電力変換を行なうための複数の双方向スイッチから成るマトリックスコンバータとを備えるハイブリッド自動車。
2. 前記マトリックスコンバータは、
   前記第１の交流回転電機および前記直流電源に接続される第１の複数の電力線と、
   前記第２の交流回転電機に接続される第２の複数の電力線と、
   前記第１の複数の電力線の各々と前記第２の複数の電力線の各々との間に設けられる前記複数の双方向スイッチとを含む、請求項１に記載のハイブリッド自動車。
3. 前記直流電源は、前記第１の交流回転電機を前記マトリックスコンバータと接続する電力線を介して前記マトリックスコンバータに接続される、請求項２に記載のハイブリッド自動車。
4. 前記直流電源の第１の端子は、前記第１の交流回転電機を前記マトリックスコンバータと接続する複数の電力線に含まれる第１の電力線に接続され、
   前記直流電源の第２の端子は、前記第１の交流回転電機を前記マトリックスコンバータと接続する複数の電力線と異なる第２の電力線を介して前記マトリックスコンバータに接続される、請求項３に記載のハイブリッド自動車。
5. 前記マトリックスコンバータは、前記第１の交流回転電機と前記第２の交流回転電機との間で電力変換が行なわれるときに形成される閉回路に前記直流電源を直列に挿入する接続部をさらに含む、請求項２に記載のハイブリッド自動車。
6. 前記第２の複数の電力線のいずれか２本に接続される出力端子をさらに備え、
   前記マトリックスコンバータは、前記第１の交流回転電機によって発電された交流電力を単相交流電力に変換して前記出力端子に接続される外部負荷へ出力する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のハイブリッド自動車。
7. 前記単相交流電力は、商用交流電力である、請求項６に記載のハイブリッド自動車。
8. エンジンに接続される第１の交流回転電機と、
   車両の駆動軸に接続される第２の交流回転電機と、
   充放電可能な直流電源と、
   前記第１および第２の交流回転電機ならびに前記直流電源が接続され、前記第１の交流回転電機と前記第２の交流回転電機と前記直流電源との間で相互に電力変換を行なうための複数の双方向スイッチから成るマトリックスコンバータとを備えるハイブリッド用駆動装置。
9. 前記マトリックスコンバータは、
   前記第１の交流回転電機および前記直流電源に接続される第１の複数の電力線と、
   前記第２の交流回転電機に接続される第２の複数の電力線と、
   前記第１の複数の電力線の各々と前記第２の複数の電力線の各々との間に設けられる前記複数の双方向スイッチとを含む、請求項８に記載のハイブリッド用駆動装置。

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