特許 7605689 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-16

(45)【発行日】2024-12-24

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20241217BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20241217BHJP

   H02J 7/02 20160101ALI20241217BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 E

H02J7/00 302C

H02J7/02 H

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021083008

(22)【出願日】2021-05-17

(65)【公開番号】P2022176524

(43)【公開日】2022-11-30

【審査請求日】2024-01-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083998

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 丈夫

(74)【代理人】

【識別番号】100096644

【弁理士】

【氏名又は名称】中本 菊彦

(72)【発明者】

【氏名】西村 宗世

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 悠二

(72)【発明者】

【氏名】藤枝 真人

(72)【発明者】

【氏名】杉本 和大

(72)【発明者】

【氏名】谷口 聡

【審査官】冨永 達朗

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－０２３９０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２１／０６５２２２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－０６２５９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｈ０２Ｊ ７／０２

Ｈ０２Ｊ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の電池セルを直列に接続して構成された電源と、
複数相のコイル、および前記複数相のコイルの一方の端子が接続された中性点とを有する回転機と、
前記電源の正極と前記電源の負極との間に互いに直列に接続された複数のコンデンサと、
前記複数のコンデンサにおける正極側コンデンサと負極側コンデンサとの間の接続点と前記複数相のそれぞれのコイルとを接続する複数の中間スイッチ素子と、
前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の正極との間に設けられた複数の正極側スイッチ素子を有する上アーム素子と、
前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の負極との間に設けられた複数の負極側スイッチ素子を有する下アーム素子と、
前記上アーム素子、前記下アーム素子、および前記中間スイッチ素子を制御するコントローラと
を備えた電力変換装置であって、
前記電源は、正極側の上部電池ブロックと負極側の下部電池ブロックとを備え、
前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとの間の中間端子と、前記接続点とが接続され、
前記コントローラは、
前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとの消費電力が同一となるように前記上アーム素子、前記下アーム素子、および前記中間スイッチ素子を制御し、または前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとの充電残量が同一となるように前記上アーム素子、前記下アーム素子、および前記中間スイッチ素子を制御する均等化制御を実行するように構成され、
前記回転機を駆動する要求がない場合に、前記中間スイッチ素子のうちの少なくともいずれか一つのスイッチ素子を導通状態とするとともに、他のスイッチ素子を非導通状態とし、
前記非導通状態とされることにより前記中間スイッチ素子を介した前記電源からの電力の供給が遮断された前記複数相のコイルのうちの所定コイルに、前記中性点を介することなく接続された前記正極側スイッチと前記負極側スイッチとをスイッチング動作することにより、前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとのうちの一方側から他方側に電力を通電するように構成されている
ことを特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

複数の電池セルを直列に接続して構成された電源と、
複数相のコイル、および前記複数相のコイルの一方の端子が接続された中性点とを有する回転機と、
前記電源の正極と前記電源の負極との間に互いに直列に接続された複数のコンデンサと、
前記複数のコンデンサにおける正極側コンデンサと負極側コンデンサとの間の接続点と前記複数相のそれぞれのコイルとを接続する複数の中間スイッチ素子と、
前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の正極との間に設けられた複数の正極側スイッチ素子を有する上アーム素子と、
前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の負極との間に設けられた複数の負極側スイッチ素子を有する下アーム素子と、
前記上アーム素子、前記下アーム素子、および前記中間スイッチ素子を制御するコントローラと
を備えた電力変換装置であって、
前記電源は、正極側の上部電池ブロックと負極側の下部電池ブロックとを備え、
前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとの間の中間端子と、前記接続点とが接続され、
前記コントローラは、
前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとの消費電力が同一となるように前記上アーム素子、前記下アーム素子、および前記中間スイッチ素子を制御し、または前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとの充電残量が同一となるように前記上アーム素子、前記下アーム素子、および前記中間スイッチ素子を制御する均等化制御を実行するように構成され、
前記回転機に要求される電力に応じて前記複数相のコイルに印加する回転機電圧を求め、
前記均等化制御により定められる前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとから出力するＳＯＣ電圧値の差を、前記回転機電圧に加算し、
前記ＳＯＣ電圧値の差を前記回転機電圧に加算した合計電圧に基づいた変調率を定め、
前記変調率に基づいて前記上アーム素子、前記下アーム素子、および前記中間スイッチ素子を制御する
ことを特徴とする電力変換装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載の電力変換装置であって、
前記コントローラは、
前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとのうちの充電残量が多い方の消費電力が、前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとのうちの充電残量が少ない方の消費電力よりも多くなるように、前記上アーム素子、前記下アーム素子、および前記中間スイッチ素子を制御する
ことを特徴とする電力変換装置。

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電力変換装置であって、
前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとの少なくともいずれか一方の電池ブロックに、高電圧補機が接続されている
ことを特徴とする電力変換装置。

【請求項5】

請求項４に記載の電力変換装置であって、
前記高電圧補機は、前記電源の出力電圧よりも低電圧で駆動するように構成されている
ことを特徴とする電力変換装置。

【請求項6】

請求項４または５に記載の電力変換装置であって、
前記高電圧補機は、前記一方の電池ブロックの正極端子および負極端子に接続されたＤＣ－ＤＣコンバータと電動コンプレッサとを含む
ことを特徴とする電力変換装置。

【請求項7】

複数の電池セルを直列に接続して構成された電源と、
複数相のコイル、および前記複数相のコイルの一方の端子が接続された中性点とを有する回転機と、
前記電源の正極と前記電源の負極との間に互いに直列に接続された複数のコンデンサと、
前記複数のコンデンサにおける正極側コンデンサと負極側コンデンサとの間の接続点と前記複数相のそれぞれのコイルとを接続する複数の中間スイッチ素子と、
前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の正極との間に設けられた複数の正極側スイッチ素子を有する上アーム素子と、
前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の負極との間に設けられた複数の負極側スイッチ素子を有する下アーム素子と、
前記上アーム素子、前記下アーム素子、および前記中間スイッチ素子を制御するコントローラと
を備えた電力変換装置であって、
前記電源は、正極側の上部電池ブロックと負極側の下部電池ブロックとを備え、
前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとの間の中間端子と、前記接続点とが接続され、
前記コントローラは、
前記複数相のコイルに要求される電圧が所定電圧以上であり、または前記複数相のコイルに要求される電流値が所定電流値以上である場合に、前記複数相のコイルに印加される電圧が相対的に低い低電圧モードを設定し、前記複数相のコイルに要求される電圧が所定電圧未満であり、または前記複数相のコイルに要求される電流値が所定電流値未満である場合に、前記複数相のコイルに印加される電圧が相対的に高い高電圧モードを設定する
ことを特徴とする電力変換装置。

【請求項8】

請求項７に記載の電力変換装置であって、
前記所定電圧は、部分放電が生じる電圧を含む
ことを特徴とする電力変換装置。

【請求項9】

複数の電池セルを直列に接続して構成された電源と、
複数相のコイル、および前記複数相のコイルの一方の端子が接続された中性点とを有する回転機と、
前記電源の正極と前記電源の負極との間に互いに直列に接続された複数のコンデンサと、
前記複数のコンデンサにおける正極側コンデンサと負極側コンデンサとの間の接続点と前記複数相のそれぞれのコイルとを接続する複数の中間スイッチ素子と、
前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の正極との間に設けられた複数の正極側スイッチ素子を有する上アーム素子と、
前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の負極との間に設けられた複数の負極側スイッチ素子を有する下アーム素子と、
前記上アーム素子、前記下アーム素子、および前記中間スイッチ素子を制御するコントローラと
を備えた電力変換装置であって、
前記電源は、正極側の上部電池ブロックと負極側の下部電池ブロックとを備え、
前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとの間の中間端子と、前記接続点とが接続され、
前記コントローラは、
前記回転機の回転数が予め定められた所定回転数未満であり、または前記回転機の出力トルクが予め定められた所定トルク未満である場合に、前記複数相のコイルに印加される電圧を０Ｖと前記電源の出力電圧との２つの電圧レベルに制御する２レベルモードを設定し、前記回転機の回転数が前記所定回転数以上であり、または前記回転機の出力トルクが前記所定トルク以上である場合に、前記複数相のコイルに印加される電圧を前記電源の電圧の中点電圧を基準として、前記中点電圧および前記中点電圧に前記電源の電圧の１／２倍の電圧を加減した電圧の３つの電圧レベルに制御する３レベルモードを設定する
ことを特徴とする電力変換装置。

【請求項10】

複数の電池セルを直列に接続して構成された電源と、
複数相のコイル、および前記複数相のコイルの一方の端子が接続された中性点とを有する回転機と、
前記電源の正極と前記電源の負極との間に互いに直列に接続された複数のコンデンサと、
前記複数のコンデンサにおける正極側コンデンサと負極側コンデンサとの間の接続点と前記複数相のそれぞれのコイルとを接続する複数の中間スイッチ素子と、
前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の正極との間に設けられた複数の正極側スイッチ素子を有する上アーム素子と、
前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の負極との間に設けられた複数の負極側スイッチ素子を有する下アーム素子と、
前記上アーム素子、前記下アーム素子、および前記中間スイッチ素子を制御するコントローラと
を備えた電力変換装置であって、
前記電源は、正極側の上部電池ブロックと負極側の下部電池ブロックとを備え、
前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとの間の中間端子と、前記接続点とが接続され、
前記コントローラは、
前記中間スイッチ素子の温度が予め定められた所定温度以上である場合に、前記複数相のコイルに印加される電圧を０Ｖと前記電源の出力電圧との２つの電圧レベルに制御する２レベルモードを設定し、前記中間スイッチ素子の温度が前記所定温度未満である場合に、前記複数相のコイルに印加される電圧を前記電源の電圧の中点電圧を基準として、前記中点電圧および前記中点電圧に前記電源の電圧の１／２倍の電圧を加減した電圧の３つの電圧レベルに制御する３レベルモードを設定する
ことを特徴とする電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、電源から出力された電力を変換する電力変換装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、複数の電池セルを直列に接続して構成された組電池を備え、その電池セル間または所定数の電池セルを一組とした電池ブロック間で電荷を移動させることにより、電池セルや電池ブロックの電圧を均等化することができる電圧均等化装置が記載されている。そのように電池セルや電池ブロックの間で電荷を移動させるために、隣り合う電池セル（電池ブロック）のうちの一方の電池セル（電池ブロック）の正極端子と他方の電池セル（電池ブロック）の負極端子とを接続するバランス回路を形成している。

【0003】

そのバランス回路には、二つのスイッチ素子が設けられていて、それらのスイッチ素子の中間点と、一方の電池セル（電池ブロック）の負極端子および他方の電池セル（電池ブロック）の正極端子の間の中間端子とをコイルを介して接続している。すなわち、電池セル間、または電池ブロック間に昇降圧コンバータを設けている。

【0004】

したがって、上記のように構成されたバランス回路のスイッチ素子をオンオフ制御することによって、一方の電圧を昇圧し、または降圧することにより、隣り合う電池セル（電池ブロック）間で電荷を移動させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１３－２４７６９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に記載された電圧均等化装置は、電池セルや電池ブロック間で電荷を移動させるためのバランス回路を形成している。言い換えると、電荷を移動させるためのコイルやスイッチ素子によって構成された電圧調整装置を備えている。そのため、電池セルを複数接続した組電池、およびその組電池から電力が供給されるモータ、ならびに組電池からモータに供給する電力を変換するインバータを含む電力変換装置が大型化する可能性がある。また、そのように電力変換装置が大型化することを抑制するために、コイルやスイッチ素子を小型化すると、コイルやスイッチ素子の電流定格が低くなるため、電池セルや電池ブロックの間で移動させることができる電荷が制限される可能性がある。

【0007】

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであって、昇圧コンバータや降圧コンバータなどの電圧調整装置を別途設けることなく、電池セル間または電池ブロック間で電荷を移動させて電圧の均等化を図ることができる電力変換装置を提供することを目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の目的を達成するために、この発明は、複数の電池セルを直列に接続して構成された電源と、複数相のコイル、および前記複数相のコイルの一方の端子が接続された中性点とを有する回転機と、前記電源の正極と前記電源の負極との間に互いに直列に接続された複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサにおける正極側コンデンサと負極側コンデンサとの間の接続点と前記複数相のそれぞれのコイルとを接続する複数の中間スイッチ素子と、前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の正極との間に設けられた複数の正極側スイッチ素子を有する上アーム素子と、前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の負極との間に設けられた複数の負極側スイッチ素子を有する下アーム素子と、前記上アーム素子、前記下アーム素子、および前記中間スイッチ素子を制御するコントローラとを備えた電力変換装置であって、前記電源は、正極側の上部電池ブロックと負極側の下部電池ブロックとを備え、前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとの間の中間端子と、前記接続点とが接続され、前記コントローラは、前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとの消費電力が同一となるように前記上アーム素子、前記下アーム素子、および前記中間スイッチ素子を制御し、または前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとの充電残量が同一となるように前記上アーム素子、前記下アーム素子、および前記中間スイッチ素子を制御する均等化制御を実行するように構成され、前記回転機を駆動する要求がない場合に、前記中間スイッチ素子のうちの少なくともいずれか一つのスイッチ素子を導通状態とするとともに、他のスイッチ素子を非導通状態とし、前記非導通状態とされることにより前記中間スイッチ素子を介した前記電源からの電力の供給が遮断された前記複数相のコイルのうちの所定コイルに、前記中性点を介することなく接続された前記正極側スイッチと前記負極側スイッチとをスイッチング動作することにより、前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとのうちの一方側から他方側に電力を通電するように構成されていることを特徴とするものである。

【0009】

また、この発明は、複数の電池セルを直列に接続して構成された電源と、複数相のコイル、および前記複数相のコイルの一方の端子が接続された中性点とを有する回転機と、前記電源の正極と前記電源の負極との間に互いに直列に接続された複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサにおける正極側コンデンサと負極側コンデンサとの間の接続点と前記複数相のそれぞれのコイルとを接続する複数の中間スイッチ素子と、前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の正極との間に設けられた複数の正極側スイッチ素子を有する上アーム素子と、前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の負極との間に設けられた複数の負極側スイッチ素子を有する下アーム素子と、前記上アーム素子、前記下アーム素子、および前記中間スイッチ素子を制御するコントローラとを備えた電力変換装置であって、前記電源は、正極側の上部電池ブロックと負極側の下部電池ブロックとを備え、前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとの間の中間端子と、前記接続点とが接続され、前記コントローラは、前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとの消費電力が同一となるように前記上アーム素子、前記下アーム素子、および前記中間スイッチ素子を制御し、または前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとの充電残量が同一となるように前記上アーム素子、前記下アーム素子、および前記中間スイッチ素子を制御する均等化制御を実行するように構成され、前記回転機に要求される電力に応じて前記複数相のコイルに印加する回転機電圧を求め、前記均等化制御により定められる前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとから出力するＳＯＣ電圧値の差を、前記回転機電圧に加算し、前記ＳＯＣ電圧値の差を前記回転機電圧に加算した合計電圧に基づいた変調率を定め、前記変調率に基づいて前記上アーム素子、前記下アーム素子、および前記中間スイッチ素子を制御することを特徴とするものである。
また、この発明は、前記コントローラは、前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとのうちの充電残量が多い方の消費電力が、前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとのうちの充電残量が少ない方の消費電力よりも多くなるように、前記上アーム素子、前記下アーム素子、および前記中間スイッチ素子を制御してよい。
また、この発明は、前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとの少なくともいずれか一方の電池ブロックに、高電圧補機が接続されていてよい。

【0010】

また、この発明は、前記高電圧補機は、前記電源の出力電圧よりも低電圧で駆動するように構成されていてよい。

【0011】

また、この発明は、前記高電圧補機は、前記一方の電池ブロックの正極端子および負極端子に接続されたＤＣ－ＤＣコンバータと電動コンプレッサとを含んでよい。

【0023】

また、この発明は、複数の電池セルを直列に接続して構成された電源と、複数相のコイル、および前記複数相のコイルの一方の端子が接続された中性点とを有する回転機と、前記電源の正極と前記電源の負極との間に互いに直列に接続された複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサにおける正極側コンデンサと負極側コンデンサとの間の接続点と前記複数相のそれぞれのコイルとを接続する複数の中間スイッチ素子と、前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の正極との間に設けられた複数の正極側スイッチ素子を有する上アーム素子と、前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の負極との間に設けられた複数の負極側スイッチ素子を有する下アーム素子と、前記上アーム素子、前記下アーム素子、および前記中間スイッチ素子を制御するコントローラとを備えた電力変換装置であって、前記電源は、正極側の上部電池ブロックと負極側の下部電池ブロックとを備え、前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとの間の中間端子と、前記接続点とが接続され、前記コントローラは、前記複数相のコイルに要求される電圧が所定電圧以上であり、または前記複数相のコイルに要求される電流値が所定電流値以上である場合に、前記複数相のコイルに印加される電圧が相対的に低い低電圧モードを設定し、前記複数相のコイルに要求される電圧が所定電圧未満であり、または前記複数相のコイルに要求される電流値が所定電流値未満である場合に、前記複数相のコイルに印加される電圧が相対的に高い高電圧モードを設定することを特徴とするものである。

【0024】

また、この発明は、前記所定電圧は、部分放電が生じる電圧を含んでよい。

【0025】

また、この発明は、複数の電池セルを直列に接続して構成された電源と、複数相のコイル、および前記複数相のコイルの一方の端子が接続された中性点とを有する回転機と、前記電源の正極と前記電源の負極との間に互いに直列に接続された複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサにおける正極側コンデンサと負極側コンデンサとの間の接続点と前記複数相のそれぞれのコイルとを接続する複数の中間スイッチ素子と、前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の正極との間に設けられた複数の正極側スイッチ素子を有する上アーム素子と、前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の負極との間に設けられた複数の負極側スイッチ素子を有する下アーム素子と、前記上アーム素子、前記下アーム素子、および前記中間スイッチ素子を制御するコントローラとを備えた電力変換装置であって、前記電源は、正極側の上部電池ブロックと負極側の下部電池ブロックとを備え、前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとの間の中間端子と、前記接続点とが接続され、前記コントローラは、前記回転機の回転数が予め定められた所定回転数未満であり、または前記回転機の出力トルクが予め定められた所定トルク未満である場合に、前記複数相のコイルに印加される電圧を０Ｖと前記電源の出力電圧との２つの電圧レベルに制御する２レベルモードを設定し、前記回転機の回転数が前記所定回転数以上であり、または前記回転機の出力トルクが前記所定トルク以上である場合に、前記複数相のコイルに印加される電圧を前記電源の電圧の中点電圧を基準として、前記中点電圧および前記中点電圧に前記電源の電圧の１／２倍の電圧を加減した電圧の３つの電圧レベルに制御する３レベルモードを設定することを特徴とするものである。

【0026】

そして、この発明は、複数の電池セルを直列に接続して構成された電源と、複数相のコイル、および前記複数相のコイルの一方の端子が接続された中性点とを有する回転機と、前記電源の正極と前記電源の負極との間に互いに直列に接続された複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサにおける正極側コンデンサと負極側コンデンサとの間の接続点と前記複数相のそれぞれのコイルとを接続する複数の中間スイッチ素子と、前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の正極との間に設けられた複数の正極側スイッチ素子を有する上アーム素子と、前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の負極との間に設けられた複数の負極側スイッチ素子を有する下アーム素子と、前記上アーム素子、前記下アーム素子、および前記中間スイッチ素子を制御するコントローラとを備えた電力変換装置であって、前記電源は、正極側の上部電池ブロックと負極側の下部電池ブロックとを備え、前記上部電池ブロックと前記下部電池ブロックとの間の中間端子と、前記接続点とが接続され、前記コントローラは、前記中間スイッチ素子の温度が予め定められた所定温度以上である場合に、前記複数相のコイルに印加される電圧を０Ｖと前記電源の出力電圧との２つの電圧レベルに制御する２レベルモードを設定し、前記中間スイッチ素子の温度が前記所定温度未満である場合に、前記複数相のコイルに印加される電圧を前記電源の電圧の中点電圧を基準として、前記中点電圧および前記中点電圧に前記電源の電圧の１／２倍の電圧を加減した電圧の３つの電圧レベルに制御する３レベルモードを設定することを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0027】

この発明によれば、直列に接続されたコンデンサを電源の正極と負極とに接続し、そのコンデンサの接続点と各相のコイルとを接続するように中間スイッチ素子が設けられている。したがって、中間スイッチ素子、正極側スイッチ素子、および負極側スイッチ素子を制御することにより、回転機に印加する電圧を多段階の電圧に制御して、回転機のトルクを制御することができる。また、コンデンサの接続点に電源の中間端子を接続することによって、回転機を停止した状態や駆動した状態に拘わらず、中間端子の一方側の上部電池ブロックと他方側の下部電池ブロックとのそれぞれの消費電力を独立して制御することができる。すなわち、一方の電池ブロックから他方の電池ブロックに電荷を移動させることや、上部電池ブロックと下部電池ブロックとの消費電力を同一とすることなどができる。つまり、上部電池ブロックと下部電池ブロックとの電力を均等化させることができる。言い換えると、互いの電池ブロックの間で電荷を移動させるためのリアクトルやコンデンサなどを別途設ける必要がないため、電力変換装置の大型化を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】この発明の実施形態における電力変換装置の一例を説明するための構成図である。

【図2】下部電池ブロックに高電圧補機を接続した構成を説明するための構成図である。

【図3】上部電池ブロックおよび下部電池ブロックに高電圧補機を接続した構成を説明するための構成図である。

【図4】上部電池ブロックに高電圧補機を接続した構成を説明するための構成図である。

【図5】均等化制御により変調率を定める制御例を説明するためのフローチャートである。

【図6】停止均等化モード時における回路状態を簡略して示す等価回路図である。

【図7】図６に示す回路状態を更に簡略して示す等価回路図である。

【図8】停止均等化モード時のＰＭＷ制御によるスイッチ信号を定める制御の一例を説明するための制御ブロック図である。

【図9】（ａ）は、上部電池ブロックから下部電池ブロック側に電力を作用させる場合に設定される変調率の一例を説明するための図であり、（ｂ）は、下部電池ブロックから上部電池ブロック側に電力を作用させる場合に設定される変調率の一例を説明するための図である。

【図10】上部電池ブロックと下部電池ブロックとから同一の電力を出力して、下部電池ブロックに接続された高電圧補機に電力を供給するように制御した場合における各コイルの電流値、および上部電池ブロックと下部電池ブロックとの消費電力を示す図である。

【図11】（ａ）は、上部電池ブロックの電力のみでモータを駆動する場合の等価回路図であり、（ｂ）は、下部電池ブロックの電力のみでモータを駆動する場合の等価回路図である。

【図12】モータ駆動時に、ＳＯＣに応じて変調率を定める制御例を説明するための制御ブロック図である。

【図13】（ａ）は、図１２に示す制御例に基づいて変調率を定めた場合の相電流、変調率、および上部電池ブロックと下部電池ブロックとの消費電力を示す図であり、（ｂ）は、モータに要求される電力のみに基づいて変調率を定めた場合の相電流、変調率、および上部電池ブロックと下部電池ブロックとの消費電力を示す図である。

【図14】変調率をオフセットする制御例を説明するための制御ブロック図である。

【図15】（ａ）は、図１４に示す制御例に基づいて変調率を定めた場合の相電流、変調率、および上部電池ブロックと下部電池ブロックとの消費電力を示す図であり、（ｂ）は、変調率をオフセットしない場合の相電流、変調率、および上部電池ブロックと下部電池ブロックとの消費電力を示す図であり、（ｃ）は、変調率をオフセットすることによる電力損失の低減効果を示す図である。

【図16】変調率を過変調領域に変更する制御例を説明するための制御ブロック図である。

【図17】（ａ）は、図１６に示す制御例に基づいて変調率を定めた場合の相電流、および変調率を示す図であり、（ｂ）は、変調率をオフセットおよび過変調領域に変更しない場合の相電流、および変調率を示す図であり、（ｃ）は、変調率をオフセットしまた過変調領域に変更することによる電力損失の低減効果を示す図である。

【図18】大気圧と部分放電開始電圧との関係を示す図である。

【図19】モータの絶縁部を保護する要求に応じて変調率の定め方を変更する制御例を説明するためのフローチャートである。

【図20】（ａ）は、ＭＧ絶縁保護モードを設定した場合における相電流、変調率、およびモータの線間電圧を示す図であり、（ｂ）は、モータ駆動モードを設定した場合における相電流、変調率、およびモータの線間電圧を示す図である。

【図21】（ａ）は、変調率がオフセットされた場合の上部電池ブロックとモータとの接続状態を模式的に示す等価回路図であり、（ｂ）は、変調率がオフセットしない場合の電源とモータとの接続状態を模式的に示す等価回路図である。

【図22】モータの運転状態に応じて２レベルモードと３レベルモードとを切り替える制御例を説明するためのフローチャートである。

【図23】（ａ）は、２レベルモードを設定した場合の相電流、および線間電圧を示す図であり、（ｂ）は、３レベルモードを設定した場合の相電流、および線間電圧を示す図であり、（ｃ）は、２レベルモードを設定することによる電力損失の低減効果を示す図である。

【図24】５相の交流モータを制御する電力変換装置の一例を説明するための構成図である。

【図25】電力変換装置の他の例を説明するための構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

この発明の実施形態における電力変換装置の一例を説明するための構成を図１に示してある。図１に示す電力変換装置１は、電源２と、この発明の実施形態における「回転機」に相当するモータ３との間で通電する電力を変換するものである。

【0030】

電源２は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池によって構成された複数の電池セルＢcを直列に配置して構成されている。すなわち、電源２は、組電池によって構成されている。また、図１に示す電源２は、図１における上側の上部電池ブロック２ａと下側の下部電池ブロック２ｂとに区分されている。具体的には、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとの間に中間端子４が設けられている。

【0031】

モータ３は、従来の電気自動車やハイブリッド車両の駆動力源として設けられたモータと同様に構成されている。このモータ３は、スター結線の交流モータであって、２相以上の複数相のコイルを備えている。図１に示す例では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相のコイル３ｕ、３ｖ、３ｗを備えた同期モータによって構成されている。

【0032】

電源２の正極端子には、正極母線５が接続され、電源２の負極端子には、負極母線６が接続されている。その正極母線５と負極母線６との間には、第１コンデンサ７と第２コンデンサ８とが接続されている。具体的には、第１コンデンサ７の正極側端子が正極母線５に接続され、負極側端子が第２コンデンサ８の正極側端子に接続され、第２コンデンサ８の負極側端子が負極母線６に接続されている。すなわち、第１コンデンサ７と第２コンデンサ８とは、直列に接続されている。また、第１コンデンサ７と第２コンデンサ８との接続点９には、上記中間端子４が接続されている。なお、第１コンデンサ７が、この発明の実施形態における「正極側コンデンサ」に相当し、第２コンデンサ８が、この発明の実施形態における「負極側コンデンサ」に相当する。

【0033】

上記の正極母線５と負極母線６との間には、更に、上アームスイッチ（素子）１０と下アームスイッチ（素子）１１とが設けられている。具体的には、上アームスイッチ１０の高電位側端子であるコレクタが正極母線５に接続され、低電位側端子であるエミッタが、下アームスイッチ１１の高電位側端子であるコレクタに接続され、下アームスイッチ１１の低電位側端子であるエミッタが、負極母線６に接続されている。すなわち、上アームスイッチ１０と下アームスイッチ１１とは、直列に接続されている。

【0034】

上述したように図１に示すモータ３は、三相交流モータであるため、上アームスイッチ１０と下アームスイッチ１１とは、それぞれ三つのスイッチによって構成されている。具体的には、上アームスイッチ１０は、Ｕ相コイル３ｕに接続された第１スイッチＱ１、Ｖ相コイル３ｖに接続された第３スイッチＱ３、およびＷ相コイル３ｗに接続された第５スイッチＱ５によって構成されている。また、下アームスイッチ１１は、Ｕ相コイル３ｕに接続された第２スイッチＱ２、Ｖ相コイル３ｖに接続された第４スイッチＱ４、およびＷ相コイル３ｗに接続された第６スイッチＱ６によって構成されている。なお、上記第１スイッチＱ１、第３スイッチＱ３、および第５スイッチＱ５が、この発明の実施形態における「正極側スイッチ素子」に相当し、第２スイッチＱ２、第４スイッチＱ４、および第６スイッチＱ６が、この発明の実施形態における「負極側スイッチ素子」に相当する。

【0035】

これらの各スイッチＱ１～Ｑ６は、従来知られた絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）によって構成され、そのＩＧＢＴには、それぞれ、逆並列にフライホールダイオードＤ１～Ｄ６が接続されている。なお、各スイッチＱ１～Ｑ６は、ＩＧＢＴに限らず、例えば、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などの他のスイッチ素子によって構成されていてもよい。

【0036】

上記の第１スイッチＱ１と第２スイッチＱ２との接続点にＵ相コイル３ｕの一端が接続され、第３スイッチＱ３と第４スイッチＱ４との接続点にＶ相コイル３ｖの一端が接続され、第５スイッチＱ５と第６スイッチＱ６との接続点にＷ相コイル３ｗの一端が接続されている。そして、Ｕ相コイル３ｕ、Ｖ相コイル３ｖ、およびＷ相コイル３ｗの他端が接続され、その各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗが接続された部分が中性点１２となっている。

【0037】

また、電源２の中間端子４や第１コンデンサ７および第２コンデンサ８の接続点９と、各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗとを接続するための中間スイッチ１３が設けられている。この中間スイッチ１３は、第７スイッチＱ７～第１２スイッチＱ１２によって構成され、第７スイッチＱ７、第９スイッチＱ９、および第１１スイッチＱ１１のそれぞれのコレクタが、第１コンデンサ７と第２コンデンサ８との接続点９に接続されている。また、第７スイッチＱ７のエミッタに第８スイッチＱ８のエミッタが接続され、第８スイッチＱ８のコレクタが第１スイッチＱ１と第２スイッチＱ２との接続点に接続されている。同様に、第９スイッチＱ９のエミッタに第１０スイッチＱ１０のエミッタが接続され、第１０スイッチＱ１０のコレクタが第３スイッチＱ３と第４スイッチＱ４との接続点に接続されている。さらに、第１１スイッチＱ１１のエミッタに第１２スイッチＱ１２のエミッタが接続され、第１２スイッチＱ１２のコレクタが第５スイッチＱ５と第６スイッチＱ６との接続点に接続されている。

【0038】

なお、第７スイッチＱ７～第１２スイッチＱ１２は、上述した第１スイッチＱ１～第６スイッチＱ６と同様にＩＧＢＴによって構成され、それぞれのスイッチＱ７～Ｑ１２には、逆並列にフライホールダイオードＤ７～Ｄ１２が接続されている。なお、各スイッチＱ７～Ｑ１２は、ＩＧＢＴに限らず、例えば、ＭＯＳＦＥＴや逆阻止ＩＧＢＴ（ＲＢーＩＧＢＴ）などの他のスイッチ素子によって構成されていてもよい。

【0039】

上述した電力変換装置１には、各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗに通電される電流を検出する電流計１４や、電源２の充電残量（ＳＯＣ）、劣化状態（ＳＯＨ）、温度、電圧などを監視するセル監視ユニット１５が設けられている。さらに、上記の電流計１４やセル監視ユニット１５によって検出されたデータなどに基づいて、各スイッチＱ１～Ｑ１２を制御するインバータ制御装置（コントローラ）１６が設けられている。

【0040】

上述したように構成された電力変換装置１は、第１スイッチＱ１～第１２スイッチＱ１２を制御することにより、出力電圧を、電源２の電圧Ｖdcの中点電圧Ｖdc／２を基準として、その中点電圧Ｖdc／２、および中点電圧Ｖdc／２に電源２の電圧Ｖdcの１／２倍の電圧を加減した電圧の三つの電圧レベルに制御する３レベルインバータ（以下、単にインバータと記す）１７として機能することができる。具体的には、上アームスイッチ１０をオン状態に制御することにより出力可能な電圧が中点電圧Ｖdc／２を基準としてＶdc／２（すなわち、０Ｖ基準では、電源２の電圧Ｖdc）となり、下アームスイッチ１１をオン状態に制御することにより出力可能な電圧が中点電圧Ｖdc／２を基準として－Ｖdc／２（すなわち、０Ｖ基準では、０Ｖ）となり、中間スイッチ１３をオン状態に制御することにより出力可能な電圧が中点電圧Ｖdc／２を基準として０（すなわち、０Ｖ基準では、Ｖdc／２）となる。

【0041】

なお、この発明の実施形態における電力変換装置１は、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとの少なくともいずれか一方に、ＤＣ－ＤＣコンバータを介して、電源２の出力電圧よりも低電圧で駆動する電動コンプレッサなどの高電圧補機を接続してもよい。

【0042】

図２は、下部電池ブロック２ｂに高電圧補機１８が接続された例を示してあり、図２に示す例では、中間端子４（すなわち、下部電池ブロック２ｂの正極端子）と負極母線６とに電動コンプレッサ１９およびＤＣ－ＤＣコンバータ２０が並列に接続され、そのＤＣ－ＤＣコンバータ２０に補機バッテリ２１が接続されている。

【0043】

図３は、上部電池ブロック２ａおよび下部電池ブロック２ｂに高電圧補機１８が接続された例を示してあり、図３に示す例では、正極母線５と中間端子４とに電動コンプレッサ１９が接続され、中間端子４と負極母線６とにＤＣ－ＤＣコンバータ２０が接続され、そのＤＣ－ＤＣコンバータ２０に補機バッテリ２１が接続されている。

【0044】

図４は、上部電池ブロック２ａに高電圧補機１８が接続された例を示してあり、図２に示す例では、正極母線５と中間端子４（すなわち、上部電池ブロック２ａの負極端子）とに電動コンプレッサ１９およびＤＣ－ＤＣコンバータ２０が並列に接続され、そのＤＣ－ＤＣコンバータ２０に補機バッテリ２１が接続されている。

【0045】

なお、図２ないし図４に示す例では、図１に示す例と同様に、電源２とモータ３とが接続されているため、電源２とモータ３とを接続する部材には、同一の参照符号を付してその説明を省略する。

【0046】

上述したように構成された電力変換装置１は、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとの間で電荷を移動させ、また上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとの消費電力を異ならせることができるように構成されている。その制御の一例を説明するためのフローチャートを図５に示してある。図５に示す制御例では、まず、均等化制御を実行する要求があるか否かを判断する（ステップＳ１）。この均等化制御は、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとの充電残量（ＳＯＣ）の差を低減し、またはＳＯＣの差が増加することを抑制するように、各スイッチＱ１～Ｑ１２を制御するものである。すなわち、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとの充電残量が同一となるように、各スイッチＱ１～Ｑ１２を制御する。したがって、例えば、上部電池ブロック２ａの電圧と下部電池ブロック２ｂのＳＯＣとをそれぞれ計測し、そのＳＯＣの差が所定差以上である場合には、均等化制御を実行する要求があると判断される。また、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとの消費電力を同一とする要求がある場合にも、同様に、均等化制御を実行する要求があると判断される。

【0047】

均等化制御を実行する要求がないことによりステップＳ１で否定的に判断された場合は、通常駆動モードまたは待機モードを設定して（ステップＳ２）、このルーチンを一旦終了する。この通常駆動モードは、従来の３レベルインバータを備えた電力変換装置と同様に、モータ３に要求される動力に応じて各スイッチＱ１～Ｑ１２を制御するモードである。また、待機モードは、各スイッチＱ１～Ｑ１２へのゲート信号を出力することなく、停止した状態とするモードである。すなわち、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとの消費電力の関係を考慮することなく、従来と同様に電力制御を行う。

【0048】

それとは反対に、均等化制御を実行する要求があることによりステップＳ１で肯定的に判断された場合は、各スイッチＱ１～Ｑ１２のゲート信号を定めるため、言い換えれば、各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗに印加する電圧値を定めるために、モータ３を駆動する要求があるか否かを判断する（ステップＳ３）。

【0049】

モータ３を駆動する要求がないことによりステップＳ３で否定的に判断された場合は、停車中均等化モードを設定する（ステップＳ４）。この停車中均等化モードは、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとの間で電荷を移動させて、ＳＯＣが多い一方の電池ブロック２ａ（２ｂ）から、ＳＯＣの少ない他方の電池ブロック２ｂ（２ａ）に電力を供給して他方の電池ブロック２ｂ（２ａ）を充電し、または上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとから同一の電力を出力して、電力変換装置１に接続された高電圧補機１８に電力を供給し、あるいはＳＯＣが多い方の電池ブロック２ａ（２ｂ）の消費電力を、他方の電池ブロック２ｂ（２ａ）の消費電力よりも多くするモードである。

【0050】

したがって、ステップＳ４が実行されて停車中均等化モードが設定された場合には、いずれか一方の電池ブロック２ａ（２ｂ）の電圧を昇圧または降圧して他方の電池ブロック２ｂ（２ａ）の電圧に一致させて、他方の電池ブロック２ｂ（２ａ）を充電し、または他方の電池ブロック２ｂに接続された高電圧補機１８に、それぞれの電池ブロック２ａ，２ｂから電力を供給する。すなわち、インバータ１７を昇圧コンバータや降圧コンバータとして機能させる。そのため、ステップＳ４に続いて、まず、接続点９とＵ相コイル３ｕ、Ｖ相コイル３ｖ、Ｗ相コイル３ｗとのうちの一つまたは二つのコイルとを導通状態とする。すなわち、いずれかの中間スイッチ１３をオンに設定する（ステップＳ５）。なお、他の中間スイッチ１３は、非導通状態とされる。

【0051】

図６には、第７スイッチＱ７をオンした場合の等価回路図を簡略化して示してある。なお、図６では、説明の便宜上、Ｕ相コイル３ｕおよびＶ相コイル３ｖを一つのコイルとして示し、Ｗ相コイル３ｗを示していない。図６に示すように、第７スイッチＱ７をオンすることにより、中間端子４とＵ相コイル３ｕ、およびＶ相コイル３ｖとが直列に接続され、そのコイル３ｕ，３ｖの他端に、第３スイッチＱ３および第４スイッチＱ４が接続された回路となる。同様に、中間端子４とＵ相コイル３ｕ、およびＷ相コイル３ｗとが直列に接続され、そのコイル３ｕ，３ｗの他端に、第５スイッチＱ５および第６スイッチＱ６が接続された回路となる。

【0052】

その回路を更に簡略して図７に示してあり、図７に示すようにコイル３ｕ，３ｖをリアクトルとした昇圧コンバータまたは降圧コンバータ回路が形成される。したがって、第３スイッチＱ３や第４スイッチＱ４をオンオフ制御することによって、一方の電池ブロック２ａ（２ｂ）の電圧を昇降圧することができ、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとの間で電荷を移動させることができる。

【0053】

そのため、ステップＳ５に続いて、上部電池ブロック２ａに要求される電力に応じた変調率（＝電圧指令値／キャリア波の振幅）Ｍｖ，Ｍｗを定め（ステップＳ６）、ついで、ステップＳ６で定められた変調率Ｍｖ，Ｍｗに基づいて、第１スイッチＱ１～第６スイッチＱ６をＰＷＭ（オンオフ）制御して（ステップＳ７）、このルーチンを一旦終了する。具体的には、第１スイッチＱ１～第６スイッチＱ６のうちのステップＳ５によりオンされていないことにより中間スイッチ１３を介した電源２からの電力の供給が遮断された所定コイル（ここでは、Ｖ相コイル３ｖおよびＷ相コイル３ｗ）に、中性点１２を介することなく接続された正極側スイッチ（ここでは、第３スイッチＱ３および第５スイッチＱ５）と負極側スイッチ（ここでは、第４スイッチＱ４および第６スイッチＱ６）とをＰＷＭ制御（スイッチング動作）する。

【0054】

図８には、停車中均等化モードを設定することによりＰＷＭ制御するスイッチのゲート信号を定めるための制御ブロック図を示してある。図８に示す例では、ステップＳ５で第７スイッチＱ７をオンした場合について示してある。その場合、第８スイッチＱ８は、オフするものの、第８ダイオードＤ８を介して導通状態となるため、図８では、第８スイッチＱ８をオンとして示してある。

【0055】

図８に示すように第１スイッチＱ１、第２スイッチＱ２、第９スイッチＱ９～第１２スイッチＱ１２はオフされる。すなわち、それらのスイッチＱ１，Ｑ２，Ｑ９～Ｑ１２の部分は、非導通状態となっている。

【0056】

それに対して、第３スイッチＱ３～第６スイッチＱ６は、ＰＷＭ制御するために、まず、Ｕ相コイル３ｕに通電する要求電流値Ｉu_reqを求める。この要求電流値Ｉu_reqは、例えば、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとのＳＯＣを比較し、そのＳＯＣの差を低減させるために、一方の電池ブロック２ａ（２ｂ）から他方の電池ブロック２ｂ（２ａ）に通電する電力に基づいて求めることができる。また、図２に示すように下部電池ブロック２ｂに高電圧補機１８が接続されている場合などのモータ３以外に電力を供給する場合には、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとのＳＯＣを比較し、そのＳＯＣの差に基づいてＳＯＣが多い方の電池ブロック２ａ（２ｂ）の消費電力が多くなるように要求電流値Ｉu_reqを求めることができる。

【0057】

続いて、Ｕ相コイル３ｕを通電している電流を電流計１４で検出し、上記要求電流値Ｉu_reqと、検出された電流値であるフィードバック値Ｉu_feとの差をＰＩ制御器２２に入力する。そして、要求電流値Ｉu_reqとフィードバック値Ｉu_feとの差に基づいてＵ相コイル３ｕに通電する目標電流値を求め、その目標電流値の電流をＵ相コイル３ｕに通電するための目標電圧値Ｖ_tgtを求めて、ＰＩ制御器２２から出力する。なお、目標電圧値Ｖ_tgtが、この発明の実施形態における「回転機電圧」に相当する。

【0058】

ここに示す制御例では、従来知られた三角波比較方式により各スイッチＱ３～Ｑ６のデューティー比を定めるように構成されている。したがって、図８に示す例では、まず、ＰＩ制御器２２から出力された目標電圧値Ｖ_tgtを正規化する。すなわち、電源２の電圧値の１／２倍の値で、目標電圧値Ｖ_tgtを除算する。このように目標電圧値Ｖ_tgtを正規化することにより、その正規化された目標電圧値Ｖ_tgtと比較する搬送波（キャリア波）の最大電圧値および最小電圧値は、±１となる。すなわち、目標電圧値Ｖ_tgtを正規化した時点で、実質的に変調率（＝電圧指令値／キャリア波の振幅）Ｍｖ，Ｍｗを求めている。

【0059】

図９（ａ）には、上部電池ブロック２ａから下部電池ブロック２ｂに電力を供給して下部電池ブロック２ｂを充電し、または下部電池ブロック２ｂに接続された高電圧補機１８に、下部電池ブロック２ｂよりも多くの電力を上部電池ブロック２ａから供給する場合に、上述したように定められたＶ相コイル３ｖおよびＷ相コイル３ｗに印加する電圧の指示値の変調率Ｍｖ，Ｍｗを示している。また、図９（ｂ）には、下部電池ブロック２ｂから上部電池ブロック２ａに電力を供給して上部電池ブロック２ａを充電し、または上部電池ブロック２ａに接続された高電圧補機１８に、上部電池ブロック２ａよりも多くの電力を下部電池ブロック２ｂから供給する場合に、上述したように定められたＶ相コイル３ｖおよびＷ相コイル３ｗに印加する電圧の指示値の変調率Ｍｖ，Ｍｗを示している。ここでは、中性点１２側に向けてコイル３ｕ，３ｖ，３ｗを流れる電流値を正の値として示している。すなわち、図９（ａ）に示す例は、要求電流値Ｉu_reqを正の値に設定した場合の変調率Ｍｖ，Ｍｗを示し、図９（ｂ）に示す例は、要求電流値Ｉu_reqを負の値に設定した場合の変調率Ｍｖ，Ｍｗを示している。

【0060】

図９（ａ）に示すように上部電池ブロック２ａから下部電池ブロック２ｂ側に電力を供給する場合には、ＰＩ制御器２２から出力される電圧値が正の値を採るため、Ｖ相コイル３ｖおよびＷ相コイル３ｗの変調率Ｍｖ，Ｍｗが０よりも大きくなるように定められる。すなわち、変調率Ｍｖ，Ｍｗが正側にオフセットするように定められる。同様に、図９（ｂ）に示すように下部電池ブロック２ｂから上部電池ブロック２ａ側に電力を供給する場合には、ＰＩ制御器２２から出力される電圧値が負の値を採るため、Ｖ相コイル３ｖおよびＷ相コイル３ｗの変調率Ｍｖ，Ｍｗが０よりも小さくなるように定められる。すなわち、変調率Ｍｖ，Ｍｗが負側にオフセットするように定められる。

【0061】

そして、変調率Ｍｖ，Ｍｗと、キャリア波とが比較器２３に入力され、各スイッチＱ３～Ｑ６に出力するべき信号のデューティー比が求められる。そして、比較器２３によって求められたデューティー比に基づいてＰＷＭ出力部２４から各スイッチＱ３～Ｑ６に信号が出力される。

【0062】

図１０は、図２に示すように下部電池ブロック２ｂに高電圧補機１８が接続され、その高電圧補機１８に要求される電力を、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとで均等に分担するように制御した場合における各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗを通電する電流値および各電池ブロック２ａ，２ｂの消費電力を示してある。

【0063】

図１０に示すようにＵ相コイル３ｕには正の電流が流れ、Ｖ相コイル３ｖおよびＷ相コイル３ｗには負の電流が流れている。また、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとの消費電力は、同一である。すなわち、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとの電力を均等に使用して、高電圧補機１８に電力を供給することができる。

【0064】

一方、モータ３を駆動する要求があることによりステップＳ３で肯定的に判断された場合は、モータ駆動均等化モードを設定する（ステップＳ８）。このモータ駆動均等化モードは、モータ３や高電圧補機１８に電力を供給する際における上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとの消費電力が同一となるように各スイッチＱ１～Ｑ１２を制御し、またはＳＯＣが多い方の電池ブロック２ａ（２ｂ）の消費電力が、他方の電池ブロック２ｂ（２ａ）の消費電力よりも多くなるように各スイッチＱ１～Ｑ１２を制御するモードである。

【0065】

したがって、ステップＳ７に続いて、モータ３に要求される電力に基づいて定められる変調率を、上部電池ブロック２ａおよび下部電池ブロック２ｂに要求される消費電力に応じて変形（変更）する（ステップＳ９）。

【0066】

上述した電力変換装置１は、図１１（ａ）および図１１（ｂ）に簡略して示す等価回路図のように、上部電池ブロック２ａを電源としてモータ３を駆動することや、下部電池ブロック２ｂを電源としてモータ３を駆動することができる。具体的には、図１１（ａ）に示すように第１スイッチＱ１，第３スイッチＱ３、第５スイッチＱ５、および第７スイッチＱ７～第１２スイッチＱ１２を制御することにより、上部電池ブロック２ａからモータ３に供給する電力を制御することができる。また、図１１（ｂ）に示すように第２スイッチＱ２、第４スイッチＱ４、第６スイッチＱ６、および第７スイッチＱ７～第１２スイッチＱ１２を制御することにより、下部電池ブロック２ｂからモータ３に供給する電力を制御することができる。すなわち、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとの消費電力が同一となるように制御することや、上部電池ブロック２ａの消費電力と下部電池ブロック２ｂの消費電力とが異なるように制御することができる。

【0067】

したがって、ステップＳ９では、要求トルクに応じたモータ３に通電する電力と、高電圧補機１８に通電する電力とに基づいてＵ相コイル３ｕ、Ｖ相コイル３ｖ、およびＷ相コイル３ｗの変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを定める。その変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを定めるための制御ブロックを図１２に示してある。図１２に示す例では、まず、モータ３の要求トルクに応じたｄ軸要求電流値Ｉd_reqと、ｄ軸のフィードバック電流値Ｉd_feとの差をｄ軸ＰＩ制御器２５に入力し、それらの値に基づいてｄ軸に通電するｄ軸目標電流値Ｉd_tgtを求める。続いて、そのｄ軸目標電流値Ｉd_tgtを通電するために要するｄ軸目標電圧値Ｖd_tgtを求めて、ｄ軸ＰＩ制御器２５から出力する。

【0068】

同様に、モータ３の要求トルクに応じたｑ軸要求電流値Ｉq_reqと、ｑ軸のフィードバック電流値Ｉq_feとの差をｑ軸ＰＩ制御器２６に入力し、それらの値に基づいてｑ軸に通電するｑ軸目標電流値Ｉq_tgtを求める。続いて、そのｑ軸目標電流値Ｉq_tgtを通電するために要するｑ軸目標電圧値Ｖq_tgtを求めて、ｑ軸ＰＩ制御器２６から出力する。

【0069】

上記のｄ軸ＰＩ制御器２５およびｑ軸ＰＩ制御器２６により求められた各目標電圧値Ｖd_tgt，Ｖq_tgtを、変換器２７に入力する。この変換器２７は、従来知られたベクトル制御によってｄ軸目標電圧値Ｖd_tgtとｑ軸目標電圧値Ｖq_tgtとからＵ相コイル３ｕ、Ｖ相コイル３ｖ、Ｗ相コイル３ｗに印加するモータ電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを求める。すなわち、モータ３に要求される動力（つまり、通電する電力）に応じて、各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗに印加する電圧を求める。

【0070】

また、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとのＳＯＣの差を小さくするために要求される上部電池ブロック２ａの出力電圧を求める。すなわち、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとのＳＯＣを均等化するために要求される上部電池ブロック２ａの出力電圧を求める。そのため、図１１に示す例では、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとのＳＯＣの差を充電残量ＰＩ制御器２８に入力し、充電残量ＰＩ制御器２８によってＳＯＣの差を低減するために各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗに印加するＳＯＣ電圧値Ｖsocを求め、そのＳＯＣ電圧値Ｖsocを出力する。

【0071】

そして、モータ電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，ＶｗにＳＯＣ電圧値Ｖsocを加算し、その加算された電圧値を正規化（電源２の電圧値Ｖdcの１／２倍で除算）して変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを求める。そのように求められた変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗに基づいて図７に示す例と同様に各スイッチＱ１～Ｑ６のデューティー比を定める。なお、ここでは、インバータ１７がマルチレベルインバータとして機能するものであるため、従来知られたマルチレベルインバータ制御と同様に、比較器２３では、変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗと二つのキャリア波とが比較されてデューティー比が定められる。

【0072】

上述したように定められた変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗ（より具体的には、各スイッチＱ１～Ｑ１２のデューティー比）に基づいて、各スイッチＱ１～Ｑ１２をＰＷＭ（オンオフ）制御して（ステップＳ１０）、このルーチンを一旦終了する。

【0073】

図１３（ａ）には、下部電池ブロック２ｂに接続された高電圧補機１８と、モータ３とに要求される電力を、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとから均等に出力するように、上述した制御例に基づいて各スイッチＱ１～Ｑ１２を制御した場合における各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗを通電する電流値、各相の変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗ、および各電池ブロック２ａ，２ｂの消費電力を示してある。なお、図１３（ｂ）には、モータ３に要求される電流のみによって変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを定めた場合における各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗを通電する電流値、各相の変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗ、および各電池ブロック２ａ，２ｂの消費電力を示してある。

【0074】

図１３（ａ）に示すように上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとの消費電力を均等にする制御を実行することにより、その制御を実行しない場合と比較して変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗが高く設定される。その結果、各電池ブロック２ａ，２ｂの消費電力を同一とすることができる。なお、そのように変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを定めた場合であっても、図１３（ａ）と図１３（ｂ）とに示すように各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗに通電される電流値が変化することはない。

【0075】

上述したように３レベルインバータとして機能する電力変換装置における第１コンデンサ７および第２コンデンサ８の接続点９に電源２の中間端子４を接続することによって、モータ３を停止した状態や駆動した状態に拘わらず、中間端子４の一方側の上部電池ブロック２ａと他方側の下部電池ブロック２ｂとのそれぞれの消費電力を独立して制御することができる。すなわち、一方の電池ブロック２ａ（２ｂ）から他方の電池ブロック２ｂ（２ａ）に電荷を移動させることや、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとの消費電力を同一とすることなどができる。つまり、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとの電力を均等化させることができる。言い換えると、互いの電池ブロック２ａ，２ｂの間で電荷を移動させるためのリアクトルやコンデンサなどを別途設ける必要がないため、電力変換装置１の大型化を抑制することができる。

【0076】

また、上部電池ブロック２ａや下部電池ブロック２ｂにＤＣ－ＤＣコンバータ２０およびコンプレッサ１９を接続することにより、高電圧システムである電力変換装置１の電源２を、その電源２の電圧よりも低電圧で駆動するコンプレッサ１９などの電源として使用することができる。その結果、他の電源や電力変換装置を別途設ける必要がなく、装置を小型化することができる。

【0077】

また、上述したように構成された電力変換装置１は、モータ３が低回転数で回転している場合やモータ３の要求トルクが小さい場合などの各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗに印加する電圧の変調率が低い領域では、中間スイッチ１３と各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗとの間を電流が還流するモードが生じる。このような還流モードでは、中間スイッチ１３の導通損失が多くなるため、電力損失が大きくなる。

【0078】

そのため、この発明の実施形態における電力変換装置１は、上記の還流モードが生じるモータ３の運転領域において、変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを変更することにより、中間スイッチ１３を電流が通電することを抑制するように構成されている。

【0079】

その制御の一例を説明するための制御ブロックを図１４に示してある。図１４に示す例では、図１２に示す制御例と同様に、モータ３の要求トルクに応じて各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗに印加するモータ電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを求める。具体的には、まず、モータ３の要求トルクに応じたｄ軸要求電流値Ｉd_reqと、ｄ軸のフィードバック電流値Ｉd_feとの差をｄ軸ＰＩ制御器２５に入力し、それらの値に基づいてｄ軸に通電するｄ軸目標電流値Ｉd_tgtを求める。続いて、そのｄ軸目標電流値Ｉd_tgtを通電するためのｄ軸目標電圧値Ｖd_tgtを求めて、ｄ軸ＰＩ制御器２５から出力する。

【0080】

同様に、モータ３の要求トルクに応じたｑ軸要求電流値Ｉq_reqと、ｑ軸のフィードバック電流値Ｉq_feとの差をｑ軸ＰＩ制御器２６に入力し、それらの値に基づいてｑ軸に通電するｑ軸目標電流値Ｉq_tgtを求める。続いて、そのｑ軸目標電流値Ｉq_tgtを通電するためのｑ軸目標電圧値Ｖq_tgtを求めて、ｑ軸ＰＩ制御器２６から出力する。

【0081】

上記のｄ軸ＰＩ制御器２５およびｑ軸ＰＩ制御器２６により求められた各目標電圧値Ｖd_tgt，Ｖq_tgtを、変換器２７に入力する。この変換器２７は、従来知られたベクトル制御によってｄ軸目標電圧値Ｖd_tgtとｑ軸目標電圧値Ｖq_tgtとからＵ相コイル３ｕ、Ｖ相コイル３ｖ、Ｗ相コイル３ｗに印加するモータ電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを求める。

【0082】

続いて、変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを変更（オフセット）するために、上述するように求められたモータ電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに所定電圧を加算（または減算）する。ここでは、電源２の出力電圧Ｖdcの１／４倍の電圧を加算している。そして、所定電圧を加算した値を正規化するために、電源２の電圧Ｖdcの１／２倍の値で除算して、各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗに印加する電圧の変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを求める。そのように求められた変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗに基づいて図１２に示す例と同様に、比較器２３によって変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗと二つのキャリア波とが比較されて、各スイッチＱ１～Ｑ１２のデューティー比を定める。

【0083】

図１５（ａ）には、図１４に示す制御ブロックに基づいて変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを定めた場合における相電流、変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗ、および各電池ブロック２ａ，２ｂの消費電力を示してある。なお、図１５（ｂ）には、変調率を変更しない場合の相電流、変調率、および消費電力を示してある。さらに、図１５（ｃ）には、図１５（ａ）に示すように変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを制御した場合の電力損失と、図１５（ｂ）に示すように変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを制御した場合の電力損失とを比較した結果を示してある。

【0084】

図１５（ａ）に示す例では、所定の時間ｔ１までの間は、下部電池ブロック２ｂの電力を使用してモータ３を駆動している。すなわち、図１４に示す制御ブロックのうちの変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを変更するための電圧として負の値を加算して、変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを定めている。それに対して、所定時間ｔ１以降は、上部電池ブロック２ａの電力を使用してモータ３を駆動している。すなわち、図１４に示す制御ブロックのうちの変調率を変更するための電圧として正の値を加算して、変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを定めている。

【0085】

図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示すように変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを変更した場合であっても相電流は変化しない。すなわち、モータ３に要求されるトルクを出力することができる。また、図１５（ａ）では、所定時間ｔ１以前は、モータ３に要求される電力の全てを下部電池ブロック２ｂから出力し、所定時間ｔ１以降は、モータ３に要求される電力の全てを上部電池ブロック２ａから出力している。それに対して、図１５（ｂ）では、各電池ブロック２ａ，２ｂから常時同一の電力を出力し、そのトータル電力が、モータ３に要求される電力となっている。つまり、いずれの制御を実行した場合であっても、モータ３を駆動することによる実質的な消費電力はほぼ同一となる。

【0086】

しかしながら、図１５（ｃ）に示すように、モータ３の駆動時における電力損失は、図１５（ａ）に示すように変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを制御した場合の方が、図１５（ｂ）に示すように変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを制御した場合よりも１０％程度低減することができる。これは、変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを正側または負側にオフセットすることにより、上アームスイッチ１０や下アームスイッチ１１がオンオフ制御され、その結果、上述したような還流モードが生じることを抑制することができるためである。

【0087】

また、変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗが所定値（０．６１）以上の過変調領域では、ゲート信号のオンオフの切り替え回数を低減することができ、スイッチでの損失を低減できることが知られている。したがって、図１４に示すように変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗをオフセットすることに加え、または変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗをオフセットすることに代えて、変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを過変調領域に変更してもよい。その制御の一例を説明するための制御ブロックを図１６に示してある。なお、図１６に示す例では、図１４に示す例と同様に、変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗをオフセットすることに加えて、変調率を過変調領域に変更している。

【0088】

図１６に示す例では、図１４に示す制御例と同様に、モータ３の要求トルクに応じて各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗに印加するモータ電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを求め、そのモータ電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを変更するための所定電圧（Ｖdc／４）を加算（または減算）する。ついで、過変調領域とするために、モータ電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを変更するための所定電圧を加算した値に所定係数Ｋを乗算する。この所定係数Ｋは、モータ電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを過変調領域に増加させるための係数であり、したがって、モータ電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに基づいて定めることができる。

【0089】

そして、上記のように所定係数Ｋが乗算された値を、図１４に示す例と同様に、正規化するために、電源２の電圧Ｖdcの１／２倍の値で除算して、各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗに印加する電圧の変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを求める。そのように求められた変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗに基づいて図１２や図１４に示す例と同様に、比較器２３によって変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗと二つのキャリア波とが比較されて、各スイッチＱ１～Ｑ１２のデューティー比を定める。

【0090】

図１７（ａ）には、図１６に示す制御ブロックに基づいて変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを定めた場合における相電流、および変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを示してある。なお、図１７（ｂ）には、変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗをオフセットせず、また過変調領域に変更しない場合の相電流、および変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを示してある。さらに、図１７（ｃ）には、図１７（ａ）に示すように変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを制御した場合の電力損失と、図１７（ｂ）に示すように変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを制御した場合の電力損失とを比較した結果を示してある。

【0091】

図１６の制御ブロックに基づいて変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを定めることにより、図１７（ａ）に示すように変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗの振幅が大きくなる。一方、変調率をオフセットしたことにより上部電池ブロック２ａからモータ３に通電する電力の割合が大きくなるものの、各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗに印加される電圧は要求値に基づいた大きさとなる。そのため、図１７（ａ）および図１７（ｂ）に示すように各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗの相電流は同一となっている。しかしながら、変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを変更して過変調領域を増加させることにより、各スイッチＱ１～Ｑ１２がオンされる期間を長くすること、言い換えると、オンとオフとの切り替え回数を低減することができ、その結果、図１７（ｃ）に示すように各スイッチＱ１～Ｑ１２によるオンオフ切り替えに伴う電力損失を２５％程度、低減することができる。

【0092】

なお、上述した例では、変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗをオフセットした後に、更に、過変調領域とするために、所定係数Ｋを乗算しているが、変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗをオフセットせずに、所定係数Ｋを乗算して、変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを変更するように構成してもよい。

【0093】

また、図１に示すように構成された電力変換装置１は、モータ３（具体的には、各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗ）を絶縁している。それに対して、大気圧やコイル（巻き線）温度などに応じてその電気回路で部分放電が生じる。図１８には、大気圧に応じて部分放電が生じる電圧（ＰＤＩＶ：部分放電開始電圧）が変化する例を示してあり、図１８に破線で示すように大気圧が低いほど、ＰＤＩＶが低下する。そのため、ＰＤＩＶが低い状況下では、モータ３に印加する電圧を低下させることが好ましい。その制御の一例を説明するためのフローチャートを図１９に示してある。

【0094】

図１９に示す制御例では、まず、モータ３を駆動する要求があるか否かを判断する（ステップＳ１１）。このステップＳ１１は、運転者によるアクセル開度などに基づいて判断することができる。

【0095】

モータ３を駆動する要求がないことによりステップＳ１１で否定的に判断された場合は、待機モードを設定して（ステップＳ１２）、このルーチンを一旦終了する。この待機モードは、各スイッチＱ１～Ｑ１２へのゲート信号を出力することなく、停止した状態とするモードである。

【0096】

それとは反対に、モータ３を駆動する要求があることによりステップＳ１１で肯定的に判断された場合は、モータ（ＭＧ）３の絶縁部を保護する要求があるか否かを判断する（ステップＳ１３）。このステップＳ１３は、ＰＤＩＶが所定値以下であって部分放電が生じやすい条件の場合に肯定的に判断される。すなわち、モータ３に印加する電圧を低下させるべき要求があるか否かを判断する。

【0097】

具体的には、大気圧センサなどによって検出される大気圧が所定圧以下である場合や、温度センサなどによって検出される巻き線の温度が所定温度以上である場合など、ＰＤＩＶの変化に影響（関連）する所定のパラメータに基づいて、ステップＳ１３を判断する。同様に、巻き線に印加される電圧がＰＤＩＶ以上となることにより部分放電が生じる。そのため、電源２の端子電圧が所定電圧である場合や、各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗの相電流が所定電流以上である場合など、巻き線に印加される電圧が高くなる要因となるパラメータに基づいて、ステップＳ１３を判断する。すなわち、ステップＳ１３は、部分放電が生じる可能性がある環境下であるか否かや、運転状態であるか否かなどに基づいて判断することができる。

【0098】

より具体的には、図１８に示すように上部電池ブロック２ａおよび下部電池ブロック２ｂから最大電圧を出力した場合に、各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗに印加される電圧値がＰＤＩＶ以下となる大気圧を所定圧Ｐthとして定め、大気圧が所定圧Ｐth未満の場合に、ステップＳ１３で肯定的に判断される。

【0099】

モータ３の絶縁部を保護する要求がないことにより、言い換えると、部分放電が生じる可能性が低い条件下であることにより、ステップＳ１３で否定的に判断された場合は、モータ駆動モードを設定する（ステップＳ１４）。このステップＳ１４は、通常にモータ３を駆動するモードであって、例えば、図５に示す制御例に基づいて均等化制御要求がある場合には、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとのＳＯＣなどに基づいて変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを定め、均等化制御要求がない場合には、従来の３レベルインバータを備えた電力変換装置と同様に、モータ３に要求される動力に応じて各スイッチＱ１～Ｑ１２を制御する。つまり、コイル３ｕ，３ｖ，３ｗに印加する電圧は、電源２の出力電圧に基づく大きさに制御され、後述するＭＧ絶縁保護モードが設定された場合よりも高電圧が印加されるモードを設定する。

【0100】

続いて、アクセル操作量などに基づいて変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを定め、その定められた変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗに基づいて各スイッチＱ１～Ｑ１２をＰＷＭ制御して（ステップＳ１５）、このルーチンを一旦終了する。

【0101】

一方、モータ３の絶縁部を保護する要求があることにより、ステップＳ１３で肯定的に判断された場合は、ＭＧ絶縁保護モードを設定する（ステップＳ１６）。このＭＧ絶縁保護モードは、巻き線の被膜などの絶縁部を保護するモードであって、その巻き線に印加されるピーク電圧を低下させ、または制限するモードである。したがって、ステップＳ１６が実行されてＭＧ絶縁保護モードが設定されると、まず、上部電池ブロック２ａと下部電池ブロック２ｂとのいずれか一方の電力を使用してモータ３を駆動する。すなわち、変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗをオフセットし、または変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを制限する（ステップＳ１７）。具体的には、要求されるｄ軸電流とｑ軸電流とに基づいて定められる電圧値に±Ｖｄｃ／２を加算した後に変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを求める。このように変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗを定めることにより、モータ３には、一方の電池ブロック２ａ（２ｂ）の電圧が印加されるため、上述したモータ駆動モードを設定した場合よりも、コイル３ｕ，３ｖ，３ｗに印加される電圧が小さい低電圧モードとなる。すなわち、上記モータ駆動モードが、この発明の実施形態における「高電圧モード」に相当し、ＭＧ絶縁保護モードが、この発明の実施形態における「低電圧モード」に相当する。

【0102】

そして、ステップＳ１７によってオフセットされ、または制限された変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗに基づいて各スイッチＱ１～Ｑ１２をＰＷＭ制御して（ステップＳ１５）、このルーチンを一旦終了する。

【0103】

図２０（ａ）には、ＭＧ絶縁保護モードを設定した場合における相電流、変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗ、およびモータ３の線間電圧を示し、図２０（ｂ）には、モータ駆動モードを設定した場合における相電流、変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗ、およびモータ３の線間電圧を示している。

【0104】

気圧が所定圧Ｐth未満であり、モータ３の絶縁部を保護することが要求されていることによってＭＧ絶縁保護モードが設定されることにより、図２０（ａ）に示すように変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗが正側にオフセットされている。ここで示す例では、モータ駆動モードが設定されている場合の変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗに０．５加算した変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗとなっている。そのようにモータ駆動モードが設定されている場合の変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗに０．５加算することにより、下アームスイッチ１１はオフ（停止）状態に制御される。

【0105】

そのように変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗがオフセットされることにより、図２１（ａ）に模式的に示すように上部電池ブロック２ａとモータ３とを接続した電気回路となる。すなわち、各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗに印加される電圧の最大値は、上部電池ブロック２ａの出力電圧の最大値に基づいた値に制限される。

【0106】

それに対して、気圧が所定圧Ｐth以上であることによってモータ駆動モードが設定されることにより、図２０（ｂ）に示すように変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗがオフセットされていない場合には、図２１（ｂ）に模式的に示すように電源２とモータ３とを接続した電気回路となる。すなわち、各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗに印加される電圧の最大値は、電源２の出力電圧の最大値に基づいた値になる。

【0107】

その結果、変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗをオフセットしていない場合には、図２０（ｂ）に示すようにモータ３の線間電圧が瞬時的に大きくなっているのに対して、変調率Ｍｕ，Ｍｖ，Ｍｗをオフセットした場合には、図２０（ａ）に示すようにモータ３の線間電圧が過剰に高くなることを抑制することができる。言い換えると、部分放電が生じることを抑制することができ、モータ３の耐久性が低下することを抑制できる。

【0108】

また、上述したように中間スイッチ１３を備えた電力変換装置１は、モータ３の回転数が低回転数の場合には、上記のように中間スイッチ１３と各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗとの間で電流が還流し、またモータ３の出力トルクが高トルクの場合には、中間スイッチ１３の銅損が大きくなり電力損失が増加する可能性がある。そのため、この発明の実施形態における電力変換装置１は、モータ３の運転点に応じて各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗに印加される電圧を、２レベルモードと、３レベルモードとから選択して制御するように構成されている。同様に、上記のように電力損失が増加することに伴って中間スイッチ１３の耐久性が低下する可能性があるため、中間スイッチ１３の温度に応じて２レベルモードと、３レベルモードとから選択して制御するように構成されている。

【0109】

その制御の一例を説明するためのフローチャートを図２２に示してある。図２２に示す制御例では、まず、モータ３を駆動する要求があるか否かを判断する（ステップＳ２１）。このステップＳ２１は、上記のステップＳ１１と同様のステップであって、運転者によるアクセル開度などに基づいて判断することができる。

【0110】

モータ３を駆動する要求がないことによりステップＳ２１で否定的に判断された場合は、待機モードを設定して（ステップＳ２２）、このルーチンを一旦終了する。このステップＳ２２は、上記のステップＳ１２と同様のステップであって、各スイッチＱ１～Ｑ１２へのゲート信号を出力することなく、停止した状態とする。

【0111】

それとは反対に、モータ３を駆動する要求があることによりステップＳ２１で肯定的に判断された場合は、モータ（ＭＧ）３の回転数Ｎmが所定回転数Ｎth以上であり、またはモータ３の出力トルクＴmが所定トルクＴth未満であるか否かを判断する（ステップＳ２３）。このステップＳ２３は、例えば、モータ３の回転数を検出するレゾルバなどの回転数センサの検出値や、アクセル開度に基づく要求駆動力などに応じて判断することができる。

【0112】

モータ３の回転数Ｎmが所定回転数Ｎth以上であり、またはモータ３の出力トルクＴmが所定トルクＴth未満であることによりステップＳ２３で肯定的に判断された場合は、中間スイッチ１３の温度ＴＥが所定温度ＴＥth未満であるか否かを判断する（ステップＳ２４）。この所定温度ＴＥthは、中間スイッチ１３の耐久性が低下しないように予め定められた温度である。

【0113】

中間スイッチ１３の温度ＴＥが所定温度ＴＥth未満であることによりステップＳ２４で肯定的に判断された場合は、３レベルモードを設定して（ステップＳ２５）、このルーチンを一旦終了する。すなわち、要求されるトルクや回転数に応じた変調波に基づいて各スイッチＱ１～Ｑ１２をＰＷＭ制御する。

【0114】

一方、モータ３の回転数Ｎmが所定回転数未満であり、またモータ３の出力トルクＴmが所定トルクＴth以上であることによりステップＳ２３で否定的に判断された場合や、中間スイッチ１３の温度ＴＥが所定温度ＴＥth以上であることによりステップＳ２４で否定的に判断された場合は、電力損失を低下させ、また中間スイッチ１３が過剰に昇温して耐久性が低下することを抑制する。具体的には、中間スイッチ１３をオフに設定する（ステップＳ２６）。そのように中間スイッチ１３をオフに設定することにより、電力変換装置１は、２レベルインバータとしてのみ機能できるため、制御モードとして２レベルモードを設定して（ステップＳ２７）、このルーチンを一旦終了する。すなわち、要求されるトルクや回転数に応じた変調波に基づいて、第１スイッチＱ１～第６スイッチＱ６をＰＷＭ制御する。

【0115】

図２３（ａ）には、２レベルモードを設定した場合の相電流、および線間電圧を示してあり、図２３（ｂ）には、３レベルモードを設定した場合の相電流、および線間電圧を示してある。図２３（ａ）および図２３（ｂ）に示すように２レベルモードを設定することにより線間電圧が大きくなっている。

【0116】

また、モータ３の回転数Ｎmが所定回転数Ｎth未満であり、かつモータ３の出力トルクが所定トルクＴth以上である場合に、２レベルモードを設定してモータ３を制御した場合と、３レベルモードを設定してモータ３を制御した場合との電力損失を比較した結果を図２３（ｃ）に示してある。図２３（ｃ）に示すように２レベルモードを設定してモータ３を制御した場合の方が、３レベルモードを設定してモータ３を制御した場合よりも、電力損失が１０％程度低下させることができる。

【0117】

なお、この発明の実施形態の電力変換装置は、３相の交流モータを制御するものに限らず、５相の交流モータなどの多相の交流モータを制御するように構成されていてもよい。図２４には、５相の交流モータを制御する電力変換装置１の一例を示してあり、図１に示す電力変換装置１に、第１３スイッチＱ１３～第２０スイッチＱ２０、Ｘ相コイル３ｘ、およびＹ相コイル３ｙが追加して設けられている。

【0118】

具体的には、第１３スイッチＱ１３のコレクタが正極母線５に接続され、そのエミッタが第１４スイッチＱ１４のコレクタに接続され、第１４スイッチＱ１４のエミッタが負極母線６に接続されている。同様に、第１５スイッチＱ１５のコレクタが正極母線５に接続され、そのエミッタが第１６スイッチＱ１６のコレクタに接続され、第１６スイッチＱ１６のエミッタが負極母線６に接続されている。そして、第１３スイッチＱ１３と第１４スイッチＱ１４との接続点にＸ相コイル３ｘの一端が接続され、第１５スイッチＱ１５と第１６スイッチＱ１６との接続点にＹ相コイル３ｙの一端が接続され、それらのコイル３ｘ，３ｙの他端が中性点１２に接続されている。

【0119】

また、第１７スイッチＱ１７のコレクタが、第１コンデンサ７と第２コンデンサ８との接続点９に接続され、第１７スイッチＱ１７のエミッタに第１８スイッチＱ１８のエミッタが接続され、第１８スイッチＱ１８のコレクタが第１３スイッチＱ１３と第１４スイッチＱ１４との接続点に接続されている。同様に、第１９スイッチＱ１９のエミッタに第２０スイッチＱ２０のエミッタが接続され、第２０スイッチＱ２０のコレクタが第１５スイッチＱ１５と第１６スイッチＱ１６との接続点に接続されている。

【0120】

なお、各スイッチＱ１３～Ｑ２０はＩＧＢＴによって構成され、それぞれのスイッチＱ１３～Ｑ２０には、逆並列にフライホールダイオードＤ１３～Ｄ２０が接続されている。

【0121】

またさらに、この発明の実施形態における電力変換装置は、いわゆるＡ－ＮＰＣ形態のマルチレベルインバータ回路に限らない。図２５には、他の構成の電力変換装置１を示してある。なお、図１と同様の構成についてはその説明を省略する。図２５に示す電力変換装置１は、第１スイッチＱ１のエミッタに第２１スイッチＱ２１のコレクタが接続され、その第２１スイッチＱ２１のエミッタに第２２スイッチＱ２２のコレクタが接続され、更に第２２スイッチＱ２２のエミッタに第２スイッチＱ２のコレクタが接続されている。

【0122】

同様に第３スイッチＱ３のエミッタに第２３スイッチＱ２３のコレクタが接続され、その第２３スイッチＱ２３のエミッタに第２４スイッチＱ２４のコレクタが接続され、更に第２４スイッチＱ２４のエミッタに第４スイッチＱ４のコレクタが接続されている。またさらに、第５スイッチＱ５のエミッタに第２５スイッチＱ２５のコレクタが接続され、その第２５スイッチＱ２５のエミッタに第２６スイッチＱ２６のコレクタが接続され、更に第２６スイッチＱ２６のエミッタに第６スイッチＱ６のコレクタが接続されている。

【0123】

これらの各スイッチＱ２１～Ｑ２６は、上述した第１スイッチＱ１～第６スイッチＱ６などと同様にＩＧＢＴによって構成され、それぞれのスイッチＱ２１～Ｑ２６には、逆並列にフライホールダイオードＤ２１～Ｄ２６が接続されている。

【0124】

また、第１コンデンサ７および第２コンデンサ８の接続点９と、第１スイッチＱ１および第２１スイッチＱ２１の接続点とが、第２７ダイオードＤ２７を介して接続され、第１コンデンサ７および第２コンデンサ８の接続点９と、第２２スイッチＱ２２および第２スイッチＱ２の接続点とが、第２８ダイオードＤ２８を介して接続されている。同様に、第１コンデンサ７および第２コンデンサ８の接続点９と、第３スイッチＱ３および第２３スイッチＱ２３の接続点とが、第２９ダイオードＤ２９を介して接続され、第１コンデンサ７および第２コンデンサ８の接続点９と、第２４スイッチＱ２４および第４スイッチＱ４の接続点とが、第３０ダイオードＤ３０を介して接続されている。またさらに、第１コンデンサ７および第２コンデンサ８の接続点９と、第５スイッチＱ５および第２５スイッチＱ２５の接続点とが、第３１ダイオードＤ３１を介して接続され、第１コンデンサ７および第２コンデンサ８の接続点９と、第２６スイッチＱ２６および第６スイッチＱ６の接続点とが、第３２ダイオードＤ３２を介して接続されている。

【0125】

そして、第２１スイッチＱ２１と第２２スイッチＱ２２との接続点にＵ相コイル３ｕの一端が接続され、第２３スイッチＱ２３と第２４スイッチＱ２４との接続点にＶ相コイル３ｖの一端が接続され、第２５スイッチＱ２５と第２６スイッチＱ２６との接続点にＷ相コイル３ｗの一端が接続されている。

【0126】

また、上述した図２２に示す制御例で対象とすることができる電力変換装置１は、図１、図２４、図２５に示す構成に限らず、中間端子４と接続点９とが接続されていなくてもよい。すなわち、中間スイッチを備え、２レベルインバータとしての機能と３レベルインバータとしての機能とを備えた電力変換装置であればよい。

【符号の説明】

【0127】

１ 電力変換装置
２ 電源
２ａ 上部電池ブロック
２ｂ 下部電池ブロック
３ モータ
３ｕ，３ｖ，３ｗ，３ｘ，３ｙ コイル
４ 中間端子
５ 正極母線
６ 負極母線
７，８ コンデンサ
９ 接続点
１０ 上アームスイッチ
１１ 下アームスイッチ
１２ 中性点
１３ 中間スイッチ
１６ インバータ制御装置
１７ インバータ
１８ 高電圧補機
１９ 電動コンプレッサ
２０ コンバータ
２２，２５，２６，２８ ＰＩ制御器
２３ 比較器
２４ 出力部
２７ 変換器
Ｂc 電池セル
Ｄ１～Ｄ３２ ダイオード
Ｑ１～Ｑ２６ スイッチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】