JP7805555B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換を行う電力変換装置に関する。

近年、直流－交流変換を行うインバータとして、単位変換器を複数直列接続したモジュールを組み合わせる、モジュラーマルチレベル変換器（MMC：Modular Multilevel Converter）が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。モジュラーマルチレベル変換器は、単位変換器に含まれるエネルギ貯蔵要素の端子電圧を加算することによって、任意の出力電圧を出力可能とされている。モジュラーマルチレベル変換器を用いたインバータは、電気自動車やハイブリッド車等の電動車両に、好適に用いられる。

特開２０１５－０１２７６９号公報

ところで、単位変換器のエネルギ貯蔵要素は、放電すると端子電圧が低下する。そのため、モジュラーマルチレベル変換器を安定的に継続動作させるためには、エネルギ貯蔵要素の蓄電容量が大きいことが望ましい。一方、一般的に市場で入手可能な蓄電容量の大きなエネルギ貯蔵要素は、定格電流が小さい。そのため、蓄電容量と電流出力とを両立させることが難しい。

本発明の目的は、蓄電容量と電流出力とを両立させることが容易な電力変換装置を提供することである。

本発明に係る電力変換装置は、上アームとインダクタと下アームとが、この順に直列接続されたレグと、制御部とを備え、前記上アーム及び前記下アームのそれぞれは、複数の高電流モジュールと複数の高容量モジュールとが直列接続された直列回路を含み、前記各高電流モジュールは、第一及び第二端子と、電荷を蓄える高電流蓄電部と、前記第一及び第二端子へ前記高電流蓄電部を接続する加入状態と前記第一及び第二端子間を短絡する離脱状態とを含む接続状態を切り換える第一切換回路とを含み、前記各高容量モジュールは、第三及び第四端子と、電荷を蓄える高容量蓄電部と、前記第三及び第四端子へ前記高容量蓄電部を接続する加入状態と前記第三及び第四端子間を短絡する離脱状態とを含む接続状態を切り換える第二切換回路とを含み、前記高電流蓄電部の定格電流値は、前記高容量蓄電部の定格電流値よりも大きく、前記高容量蓄電部の蓄電容量は、前記高電流蓄電部の蓄電容量よりも大きく、前記制御部は、前記各第一切換回路及び前記各第二切換回路による前記接続状態の切り換えを制御することによって、前記複数の高電流蓄電部及び前記複数の高容量蓄電部のうちから選択的に電流を出力させる第一モードと、前記複数の高電流蓄電部のみのうちから選択的に電流を出力させる第二モードとを実行する。

この構成によれば、加入状態とされた高電流モジュールの高電流蓄電部及び高容量モジュールの高容量蓄電部は直列接続され、離脱状態とされた高電流モジュールの高電流蓄電部及び高容量モジュールの高容量蓄電部は直列接続されない。従って、第一及び第二切換回路によって、加入状態の高電流モジュール及び高容量モジュールの数を増減することによって、レグの電圧を制御することが可能となる。そして、複数の高電流蓄電部及び複数の高容量蓄電部のうちから選択的に電流を出力させる第一モードと、複数の高電流蓄電部のみのうちから選択的に電流を出力させる第二モードとを適宜実行することによって、入手しやすい、定格電流値が大きく蓄電容量が小さい高電流蓄電部及び定格電流値が小さく蓄電容量が大きい高容量蓄電部を、組み合わせて用いることができ、蓄電容量と電流出力とを両立させることが容易となる。

また、前記制御部は、前記レグから出力される電流の瞬時値の絶対値が前記高容量蓄電部の定格電流値に満たない期間、前記第一モードを実行し、前記レグから出力される電流の瞬時値の絶対値が前記高容量蓄電部の定格電流値を超える期間、前記第二モードを実行することが好ましい。

レグから出力される電流の瞬時値の絶対値が前記高容量蓄電部の定格電流値を超える場合、高容量蓄電部はその電流を流すことができない。この構成によれば、レグから出力される電流の瞬時値の絶対値が高容量蓄電部の定格電流値を超える期間、第二モードが実行され、定格電流値が大きな高電流蓄電部のみから電流を出力させることによって、レグによる電流出力を行うことが可能となる。

また、前記制御部は、前記レグから出力される電圧の瞬時値の絶対値が、前記高電流モジュールのみを用いて出力可能な最大の電圧である最大直列電圧を超える期間、前記第一モードを実行し、前記レグから出力される電圧の瞬時値の絶対値が、前記最大直列電圧に満たない期間、前記第二モードを実行することが好ましい。

レグから出力される電圧の瞬時値の絶対値が、前記最大直列電圧を超える場合、高電流モジュールのみでは、その電圧を出力することができない。この構成によれば、レグから出力される電圧の瞬時値の絶対値が前記最大直列電圧を超える期間、第一モードが実行され、高電流蓄電部及び高容量蓄電部の両方を用いて電圧出力することができるので、レグによる電圧出力を行うことが可能となる。

また、前記制御部は、前記レグから出力される電流の瞬時値の絶対値が前記高容量蓄電部の定格電流値に満たず、かつ前記レグから出力される電圧の瞬時値の絶対値が、前記高電流モジュールのみを用いて出力可能な最大の電圧である最大直列電圧を超える期間、前記第一モードを実行し、前記レグから出力される電流の瞬時値の絶対値が前記高容量蓄電部の定格電流値を超える期間及び前記レグから出力される電圧の瞬時値の絶対値が前記最大直列電圧に満たない期間、前記第二モードを実行することが好ましい。

この構成によれば、レグから出力される電流の瞬時値の絶対値が高容量蓄電部の定格電流値に満たず、かつレグから出力される電圧の瞬時値の絶対値が高電流モジュールのみを用いて出力可能な最大の電圧である最大直列電圧を超える期間、すなわち高容量蓄電部が出力可能な電流範囲内で電圧出力のために高電流蓄電部及び高容量蓄電部の両方を用いる必要がある場合に、第一モードが実行されて高電流蓄電部及び高容量蓄電部の両方を効果的に用いることができる。

また、前記各第一切換回路は、ハーフブリッジ又はフルブリッジのブリッジ回路であり、前記各第二切換回路は、ハーフブリッジ又はフルブリッジのブリッジ回路であってもよい。

ハーフブリッジの第一及び第二切換回路は、高電流モジュール及び高容量モジュールの接続状態を、加入状態と離脱状態とに切り換えることができる。フルブリッジの第一及び第二切換回路は、高電流モジュール及び高容量モジュールの接続状態を、加入状態及び離脱状態に加えて、加入状態とは逆極性で高電流蓄電部及び高容量蓄電部を接続する反転状態に切り換えることができる。

また、前記レグを三つ備え、前記三つのレグは、互いに並列接続されて三相インバータを構成することが好ましい。

この構成によれば、三相交流電力を出力することが可能となる。

このような構成の電力変換装置は、蓄電容量と電流出力とを両立させることが容易である。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を示すブロック図である。 図１に示す高電流モジュールＰＭ及び高容量モジュールＥＭの構成の一例を示す概念的な回路図である。 第一切換回路、第二切換回路としてフルブリッジを用いた高電流モジュールＰＭ、高容量モジュールＥＭの一例を示す概念的な回路図である。 図１に示す電力変換装置の動作の一例を示すフローチャートである。 図１に示す電力変換装置の動作の一例を示すフローチャートである。 瞬時電流値Ｉｒ（ｕ）と、出力電流Ｉｕと、定格電流値Ｉｅと、第一モードＭ１及び第二モードＭ２との関係を示す説明図である。 瞬時電圧値Ｖｒ（ｕ）と、出力電圧Ｖｕと、最大直列電圧Ｖｐ（ｕ）と、第一モードＭ１及び第二モードＭ２との関係を示す説明図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を示すブロック図である。

図１に示す電力変換装置１は、大略的に、レグ２ｕ，２ｖ，２ｗと、キャパシタＣと、制御部５と、外部端子Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗとを備えている。レグ２ｕ，２ｖ，２ｗが並列接続されて、三相インバータ６が構成されている。

三相インバータ６、及びキャパシタＣは、高電位側の電力線ＷＨと、低電位側の電力線ＷＬによって、並列接続されている。キャパシタＣは、平滑や電圧安定化等を行う。なお、電力変換装置１は、必ずしもキャパシタＣを備えていなくてもよい。

レグ２ｕは、上アーム３ＨとインダクタＬと下アーム３Ｌとが、この順に直列接続されて構成されている。レグ２ｖ，２ｗは、レグ２ｕと同様に構成されているのでその説明を省略する。以下、レグ２ｕ，２ｖ，２ｗを総称してレグ２と称する。

レグ２ｕのインダクタＬの中点が外部端子Ｔｕと接続され、レグ２ｖのインダクタＬの中点が外部端子Ｔｖと接続され、レグ２ｗのインダクタＬの中点が外部端子Ｔｗと接続されている。これにより、外部端子Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗが、電力変換装置１の三相電力出力端子、又は三相回生電流入力端子として機能する。外部端子Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗには、例えば三相モータ等の、種々の三相電力負荷を接続することができ、電力変換装置１を電動車両に搭載してもよい。

インダクタＬは、例えばセンタータップ付リアクトルであってもよく、二つのインダクタを直列接続し、その接続点を外部端子Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗに接続したものであってもよい。レグ２ｕ，２ｖ，２ｗの出力電圧、すなわち外部端子Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗの電圧を、出力電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗとする。また、レグ２ｕ，２ｖ，２ｗの出力電流、すなわち外部端子Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗから外部へ出力される電流を、出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗとする。

上アーム３Ｈ及び下アーム３Ｌのそれぞれは、複数の高電流モジュールＰＭと複数の高容量モジュールＥＭとが直列接続された直列回路を含んでいる。図１に示す例では、上アーム３Ｈ及び下アーム３Ｌは、複数の高電流モジュールＰＭと複数の高容量モジュールＥＭとが直列接続された直列回路のみから構成される例を示しているが、上アーム３Ｈ及び下アーム３Ｌは、複数の高電流モジュールＰＭと複数の高容量モジュールＥＭとの直列回路を含んでいればよく、複数の高電流モジュールＰＭと複数の高容量モジュールＥＭとの直列回路以外のものを含んでいてもよい。

図２は、図１に示す高電流モジュールＰＭ及び高容量モジュールＥＭの構成の一例を示す概念的な回路図である。図２では、高容量モジュールＥＭに係る構成の符号を括弧書きで示している。

レグ２の高電流モジュールＰＭは、端子Ｔ１（第一端子）、端子Ｔ２（第二端子）、電荷を蓄える高電流蓄電部ＢＰ、及び端子Ｔ１及び端子Ｔ２への高電流蓄電部ＢＰの電気的な接続状態を切り換えるスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２（第一切換回路）を含んでいる。高電流モジュールＰＭに用いられるスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２は第一切換回路の一例に相当し、高容量モジュールＥＭに用いられるスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２は第二切換回路の一例に相当する。図２に示す例では、第一切換回路及び第二切換回路は、ハーフブリッジを構成している。

具体的には、高電流モジュールＰＭは、高電流蓄電部ＢＰとスイッチング素子ＳＷ１とが直列接続され、高電流蓄電部ＢＰとスイッチング素子ＳＷ１の直列回路と並列にスイッチング素子ＳＷ２が接続されている。スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２の接続点が端子Ｔ１に接続され、スイッチング素子ＳＷ２と高電流蓄電部ＢＰの接続点が端子Ｔ２に接続されている。

高容量モジュールＥＭは、高電流モジュールＰＭとは、高電流蓄電部ＢＰの代わりに高容量蓄電部ＢＥを用いる点、端子Ｔ１及び端子Ｔ２の代わりに端子Ｔ３（第三端子）及び端子Ｔ４（第四端子）を用いる点が異なる。その他の点では高容量モジュールＥＭは、高電流モジュールＰＭと同様に構成されているのでその説明を省略する。

高電流モジュールＰＭの端子Ｔ１は、自モジュールよりも高電位側の、高電流モジュールＰＭの端子Ｔ２又は高容量モジュールＥＭの端子Ｔ４に接続される。高電流モジュールＰＭの端子Ｔ２は、自モジュールよりも低電位側の、高電流モジュールＰＭの端子Ｔ１又は高容量モジュールＥＭの端子Ｔ３に接続される。

同様に、高容量モジュールＥＭの端子Ｔ３は、自モジュールよりも高電位側の、高電流モジュールＰＭの端子Ｔ２又は高容量モジュールＥＭの端子Ｔ４に接続される。高容量モジュールＥＭの端子Ｔ４は、自モジュールよりも低電位側の、高電流モジュールＰＭの端子Ｔ１又は高容量モジュールＥＭの端子Ｔ３に接続される。これにより、複数の高電流モジュールＰＭと複数の高容量モジュールＥＭとが直列接続されている。

図１に示す例では、複数の高電流モジュールＰＭのみの直列回路と、複数の高容量モジュールＥＭのみの直列回路とが直列接続される例を示したが、高電流モジュールＰＭと高容量モジュールＥＭとが混在して直列接続されていてもよい。

上アーム３Ｈ内で最も高電位側の、高電流モジュールＰＭの端子Ｔ１又は高容量モジュールＥＭの端子Ｔ３は電力線ＷＨに接続される。上アーム３Ｈ内で最も低電位側の、高電流モジュールＰＭの端子Ｔ２又は高容量モジュールＥＭの端子Ｔ４はインダクタＬの一端に接続される。下アーム３Ｌ内で最も高電位側の、高電流モジュールＰＭの端子Ｔ１又は高容量モジュールＥＭの端子Ｔ３はインダクタＬの他端に接続される。下アーム３Ｌ内で最も低電位側の、高電流モジュールＰＭの端子Ｔ２又は高容量モジュールＥＭの端子Ｔ４は電力線ＷＬに接続される。

スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２としては、種々のスイッチング素子を用いることができ、例えばトランジスタ等の半導体スイッチング素子を好適に用いることができる。スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２は、制御部５からの制御信号に応じてオン、オフする。

高電流蓄電部ＢＰ及び高容量蓄電部ＢＥとしては、種々の蓄電素子を好適に用いることができ、単体の蓄電素子に限られず、複数の蓄電素子を組み合わせた組電池等を高電流蓄電部ＢＰ及び高容量蓄電部ＢＥとして用いてもよい。

高電流蓄電部ＢＰの定格電流値Ｉｐは、高容量蓄電部ＢＥの定格電流値Ｉｅよりも大きい。また、高容量蓄電部ＢＥは、高電流蓄電部ＢＰよりも蓄電容量が大きい。高電流蓄電部ＢＰに用いられる蓄電素子と、高容量蓄電部ＢＥに用いられる蓄電素子は、種類が異なっていてもよい。例えば、高電流蓄電部ＢＰ用の蓄電素子として電気二重層コンデンサ等のキャパシタを用い、高容量蓄電部ＢＥ用の蓄電素子としてリチウムイオン二次電池等の二次電池を用いてもよい。

符号Ａで示す高電流モジュールＰＭ及び高容量モジュールＥＭは、接続状態が加入状態とされており、符号Ｂで示す高電流モジュールＰＭ及び高容量モジュールＥＭは、接続状態が離脱状態とされている。加入状態ではスイッチング素子ＳＷ１がオン、スイッチング素子ＳＷ２がオフし、離脱状態ではスイッチング素子ＳＷ１がオフ、スイッチング素子ＳＷ２がオンする。

加入状態の高電流モジュールＰＭ及び高容量モジュールＥＭにおける高電流蓄電部ＢＰ及び高容量蓄電部ＢＥは、上アーム３Ｈ及び下アーム３Ｌにおいて直列接続され、離脱状態の高電流モジュールＰＭ及び高容量モジュールＥＭは短絡される。これにより、上アーム３Ｈ、下アーム３Ｌにおける両端電圧は、上アーム３Ｈ、下アーム３Ｌにおける加入状態の高電流蓄電部ＢＰ及び高容量モジュールＥＭの合計電圧となる。

以下、高容量モジュールＥＭ及び高電流モジュールＰＭを総称してモジュールＸＭと称し、高電流蓄電部ＢＰ及び高容量蓄電部ＢＥを総称して蓄電部ＢＸと称する場合がある。

なお、高電流モジュールＰＭは第一切換回路としてフルブリッジを用いてもよく、高容量モジュールＥＭは第二切換回路としてフルブリッジを用いてもよい。図３は、第一切換回路、第二切換回路としてフルブリッジを用いた高電流モジュールＰＭ、高容量モジュールＥＭの一例を示す概念的な回路図である。

図３に示すフルブリッジの高電流モジュールＰＭ、高容量モジュールＥＭは、図２に示すハーフブリッジの高電流モジュールＰＭ、高容量モジュールＥＭに加えて、さらにスイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４を備える。スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４としては、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２と同様のスイッチング素子を用いることができる。

具体的には、スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４の直列回路がスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の直列回路と並列に接続されている。スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の接続点が端子Ｔ１又は端子Ｔ３に接続され、スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４の接続点が端子Ｔ２又は端子Ｔ４に接続されている。高電流モジュールＰＭに用いられるスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ４はフルブリッジの第一切換回路の一例に相当し、高容量モジュールＥＭに用いられるスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ４はフルブリッジの第二切換回路の一例に相当する。

図３に示すフルブリッジの高電流モジュールＰＭ、高容量モジュールＥＭは、符号Ａで示す加入状態、符号Ｂで示す離脱状態に加えて、符号Ｃで示す反転状態とすることができる。反転状態の高電流モジュールＰＭ、高容量モジュールＥＭでは、高電流蓄電部ＢＰ、高容量蓄電部ＢＥが、極性を反転させて接続される。

加入状態ではスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオン、スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオフする。離脱状態ではスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３がオフ、スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４がオンする。反転状態ではスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオフ、スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３がオンする。なお、離脱状態ではスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３をオン、スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４をオフさせてもよい。

以下、制御部５が、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２を制御して加入状態及び離脱状態を含む接続状態を制御すること、又はスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ４を制御して加入状態、離脱状態、及び反転状態を含む接続状態を制御することを、単に、接続状態を制御する、と記載する。

図３に示すフルブリッジの高電流モジュールＰＭを用いた場合、上アーム３Ｈ、下アーム３Ｌにおける両端電圧は、上アーム３Ｈ、下アーム３Ｌにおける加入状態の高電流モジュールＰＭ及び高容量モジュールＥＭの高電流蓄電部ＢＰ及び高容量蓄電部ＢＥの合計電圧から、反転状態の高電流モジュールＰＭ及び高容量モジュールＥＭの高電流蓄電部ＢＰ及び高容量蓄電部ＢＥの合計電圧を減算した電圧となる。

電力線ＷＨ，ＷＬには、例えば図略の外部電源が接続され、高電流蓄電部ＢＰ及び高容量蓄電部ＢＥを適宜充電可能とされている。

図１に示す制御部５は、例えば、所定の論理演算を実行するＣＰＵ(Central Processing Unit)、データを一時的に記憶するＲＡＭ(Random Access Memory)、不揮発性の記憶装置、及びこれらの周辺回路等を備えて構成され、所定のプログラムを実行することによって動作する。また、制御部５は、電力変換装置１の外部例えば電動車両から、モータのロータの回転角Ｒ、要求トルクＴ、及びレグ２ｕ，２ｖ，２ｗからモータへ供給された出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを示す情報等を取得可能とされている。

ロータの回転角Ｒは、モータ軸に取り付けられた回転角センサ（レゾルバ等）によって検出される。要求トルクＴは、電動車両の車両コントローラ等から出力される、モータトルクの要求値である。出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、電動車両側に設けられた電流センサによって検出される。なお、電力変換装置１が、出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する電流センサを備えていてもよい。

制御部５は、各高電流モジュールＰＭ及び各高容量モジュールＥＭにおけるスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２（ＳＷ３，ＳＷ４）による接続状態の切り換えを制御することによって、レグ２ｕ，２ｖ，２ｗから外部端子Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗを介して外部へ、所望の波形の出力電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを出力させる。そして、モータ等の外部負荷に出力電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが印加されることによって、出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが流れることになる。

三相インバータ６、すなわちレグ２ｕ，２ｖ，２ｗによって、電圧や電圧波形等を変換又は回生する制御方法としては、公知のインバータ制御方法を用いることができ、例えばモジュラーマルチレベル変換器に関する制御方法を用いることができる。

また、制御部５は、各第一切換回路及び各第二切換回路による接続状態の切り換えを制御することによって、複数の高電流蓄電部ＢＰ及び複数の高容量蓄電部ＢＥのうちから選択的に電流を出力させる第一モードＭ１と、複数の高電流蓄電部ＢＰのみのうちから選択的に電流を出力させる第二モードＭ２とを実行する。

図４、図５は、図１に示す電力変換装置１の動作の一例を示すフローチャートである。以下の例では、電力変換装置１に接続される外部負荷が電動車両のモータである場合を例に説明する。まず、制御部５は、外部の電動車両等から信号を受信することによって、回転角Ｒ及び要求トルクＴを取得する（ステップＳ１）。

次に、制御部５は、要求トルクＴに基づいて、三相インバータ６から出力するべき電流、すなわちモータに要求トルクＴを発生させるために必要な電流である目標電流Ｉｔを取得する（ステップＳ２）。具体的には、制御部５は、予め設定された公知の数式を用いて要求トルクＴから目標電流Ｉｔを算出してもよい。あるいは、制御部５は、予め設定された、トルクと電流の関係を示したルックアップテーブルを参照することによって、要求トルクＴに対応する目標電流Ｉｔを取得してもよい。要求トルクＴから目標電流Ｉｔを取得する方法は、特定の方法に限定されることなく、公知の種々の方法を用いることができる。

次に、制御部５は、外部からリアルタイムに取得された出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに基づくフィードバック制御により、出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが目標電流Ｉｔとなるように、レグ２ｕ，２ｖ，２ｗにおける接続状態を制御することによって、出力電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを制御する（ステップＳ３）。ステップＳ３においては、後述するステップＳ１３、Ｓ１４，Ｓ２３，Ｓ２４．Ｓ３３，Ｓ３４で第一モードＭ１又は第二モードＭ２が既に設定されていた場合は、レグ２ｕ，２ｖ，２ｗに対してそれぞれ設定されたモードに応じてレグ２ｕ，２ｖ，２ｗにおける接続状態を制御する。

具体的には、第一モードＭ１が設定されていた場合、制御部５は、各レグ内の、複数の高電流蓄電部ＢＰ及び複数の高容量蓄電部ＢＥのうちから選択的に電流を出力させることによって、すなわち高電流蓄電部ＢＰと高容量蓄電部ＢＥとを両方用いて出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが目標電流Ｉｔとなるように、レグ２ｕ，２ｖ，２ｗにおける接続状態を制御する。

一方、第二モードＭ２が設定されていた場合、制御部５は、各レグ内の、高容量モジュールＥＭをすべて離脱状態にすることにより高容量蓄電部ＢＥからは電流出力させることなく、複数の高電流蓄電部ＢＰのうちから選択的に電流を出力させることによって、すなわち高電流蓄電部ＢＰのみを用いて出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが目標電流Ｉｔとなるように、レグ２ｕ，２ｖ，２ｗにおける接続状態を制御する。

フィードバック制御としては、ＰＩ制御等の種々の制御方法を用いることができる。また、出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを、目標電流Ｉｔに近づけるように制御することができればよく、制御方法はフィードバック制御に限らない。

次に、制御部５は、ステップＳ３のフィードバック制御による接続状態から、出力電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの各相の瞬時電圧値Ｖｒ（ｕ），Ｖｒ（ｖ），Ｖｒ（ｗ）を算出する（ステップＳ４）。制御部５は、ステップＳ３において得られたリアルタイムの接続状態に基づき、ハーフブリッジの場合であればレグ２ｕ，２ｖ，２ｗにおける加入状態のモジュールＸＭの蓄電部ＢＸの電圧、フルブリッジの場合であればレグ２ｕ，２ｖ，２ｗにおける加入状態及び反転状態のモジュールＸＭの蓄電部ＢＸの電圧から、出力電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの瞬時電圧値Ｖｒ（ｕ），Ｖｒ（ｖ），Ｖｒ（ｗ）を算出することができる。各蓄電部ＢＸの電圧は、例えば各蓄電部ＢＸの電圧を検出する図略の電圧検出回路を備えることによって、取得することができる。

次に、制御部５は、目標電流Ｉｔから、三相交流波形の出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの瞬時電流値Ｉｒ（ｕ），Ｉｒ（ｖ），Ｉｒ（ｗ）を算出する（ステップＳ５）。

次に、制御部５は、ステップＳ１１，Ｓ２１，Ｓ３１へ処理を移行する。以下、ステップＳ１１～Ｓ１４と、ステップＳ２１～Ｓ２４と、ステップＳ３１～Ｓ３４とは、並行して実行される。

まず、レグ２ｕのＵ相に関する処理について説明する。瞬時電流値Ｉｒ（ｕ）の絶対値が定格電流値Ｉｅを超えた場合（ステップＳ１１でＮＯ）、制御部５は、ステップＳ１４へ処理を移行する。

ステップＳ１４において、制御部５は、レグ２ｕに対して第二モードＭ２を設定することによって、ステップＳ３において電流を出力させる蓄電部ＢＸが、レグ２ｕ内の複数の高電流蓄電部ＢＰのみのうちから選択されるように設定し（ステップＳ１４）、再びステップＳ１へ処理を移行する。

図６は、瞬時電流値Ｉｒ（ｕ）と、瞬時電流値Ｉｒ（ｕ）が連続した波形で表される出力電流Ｉｕと、定格電流値Ｉｅと、第一モードＭ１及び第二モードＭ２との関係を示す説明図である。横軸は時間ｔ、縦軸は電流値を示している。なお、図６では、瞬時電圧値Ｖｒ（ｕ）の絶対値が、後述の最大直列電圧Ｖｐ（ｕ）以下である場合を例示している。

ステップＳ１１，Ｓ１４によれば、図６に示すように、出力電流Ｉｕの交流波形において、瞬時電流値Ｉｒ（ｕ）の絶対値が定格電流値Ｉｅを超える期間であるタイミングｔ１からタイミングｔ２まで、タイミングｔ３からタイミングｔ４まで、タイミングｔ５からタイミングｔ６まで、及びタイミングｔ７からタイミングｔ８までの期間、ステップＳ３において第二モードＭ２が実行される。

瞬時電流値Ｉｒ（ｕ）の絶対値が定格電流値Ｉｅを超えた場合（ステップＳ１１でＮＯ）、高容量蓄電部ＢＥはその瞬間、瞬時電流値Ｉｒ（ｕ）の電流を出力できないことを意味する。そこで、瞬時電流値Ｉｒ（ｕ）の絶対値が定格電流値Ｉｅを超えた場合（ステップＳ１１でＮＯ）、制御部５は、ステップＳ１４において第二モードＭ２を設定し、ステップＳ３において第二モードＭ２を実行する。

これにより、ステップＳ３におけるレグ２ｕからの電流出力が、高電流蓄電部ＢＰのみによって行われ、高容量蓄電部ＢＥからは電流出力されない。その結果、レグ２ｕから、定格電流値Ｉｐを超える瞬時電流値Ｉｒ（ｕ）を出力することが可能となる。

一方、瞬時電流値Ｉｒ（ｕ）の絶対値が定格電流値Ｉｅ以下の場合（ステップＳ１１でＹＥＳ）、制御部５は、瞬時電圧値Ｖｒ（ｕ）の絶対値と、最大直列電圧Ｖｐ（ｕ）とを比較する（ステップＳ１２）。最大直列電圧Ｖｐ（ｕ）は、レグ２ｕに含まれる高電流モジュールＰＭのみを用いて出力可能な最大の電圧である。

具体的には、モジュールＸＭがハーブブリッジかフルブリッジかに関わらず、最大直列電圧Ｖｐ（ｕ）は、瞬時電圧値Ｖｒ（ｕ）が＋のときはレグ２ｕの下アーム３Ｌに含まれるすべての高電流蓄電部ＢＰの電圧の合計値となり、瞬時電圧値Ｖｒ（ｕ）が－のときはレグ２ｕの上アーム３Ｈに含まれるすべての高電流蓄電部ＢＰの電圧の合計値となる。制御部５は、上述の電圧検出回路によって検出された、各高電流蓄電部ＢＰの電圧を合計することによって、最大直列電圧Ｖｐ（ｕ）を算出することができる。

あるいは、レグ２ｕに含まれる高電流モジュールＰＭのみを用いて出力可能な最大の電圧としておおよそ妥当な電圧値を、予め固定的に最大直列電圧Ｖｐ（ｕ）として設定してもよい。

上アーム３Ｈと下アーム３Ｌと両方を使う場合は、フルブリッジの効果は、蓄電部ごとに充電と放電を使いわけられられる点に限定される。下アーム３Ｌのみで構成された三相インバータ回路の場合、フルブリッジ回路を利用することで、正負の電圧出力が可能になり、正弦波交流出力が可能となる。

最大直列電圧Ｖｐ（ｖ），Ｖｐ（ｗ）は、最大直列電圧Ｖｐ（ｕ）と同様、レグ２ｖ，２ｗに含まれる高電流モジュールＰＭのみを用いて、それぞれ出力可能な最大の電圧である。最大直列電圧Ｖｐ（ｖ），Ｖｐ（ｗ）は、レグ２ｖ，２ｗに含まれる高電流モジュールＰＭに基づき、最大直列電圧Ｖｐ（ｕ）と同様の方法により設定される。

瞬時電圧値Ｖｒ（ｕ）の絶対値が、最大直列電圧Ｖｐ（ｕ）を超えていた場合（ステップＳ１２でＹＥＳ）、高電流モジュールＰＭのみを用いる第二モードＭ２では瞬時電圧値Ｖｒ（ｕ）を出力することができないので、制御部５は、ステップＳ１３へ移行し、第一モードを設定する。

ステップＳ１３において、制御部５は、レグ２ｕに対して第一モードを設定することによって、電流を出力させる蓄電部ＢＸが、レグ２ｕ内の複数の高電流蓄電部ＢＰ及び複数の高容量蓄電部の両方の中からステップＳ３で選択されるように設定し（ステップＳ１３）、再びステップＳ１へ処理を移行する。

図７は、瞬時電圧値Ｖｒ（ｕ）と、瞬時電圧値Ｖｒ（ｕ）が連続した波形で表される出力電圧Ｖｕと、最大直列電圧Ｖｐ（ｕ）と、第一モードＭ１及び第二モードＭ２との関係を示す説明図である。横軸は時間ｔ、縦軸は電圧値を示している。なお、図７では、瞬時電流値Ｉｒ（ｕ）の絶対値が、定格電流値Ｉｅ以下である場合を例示している。

ステップＳ１２，Ｓ１３によれば、図７に示すように、出力電圧Ｖｕの交流波形において、瞬時電圧値Ｖｒ（ｕ）の絶対値が最大直列電圧Ｖｐ（ｕ）を超える期間であるタイミングｔ１１からタイミングｔ１２まで、タイミングｔ１３からタイミングｔ１４まで、タイミングｔ１５からタイミングｔ１６まで、及びタイミングｔ１７からタイミングｔ１８までの期間、ステップＳ３において第一モードＭ１が実行される。

瞬時電圧値Ｖｒ（ｕ）の絶対値が最大直列電圧Ｖｐ（ｕ）を超えた場合（ステップＳ１２でＹＥＳ）、レグ２ｕはその瞬間、高電流蓄電部ＢＰだけでは瞬時電圧値Ｖｒ（ｕ）の電圧を出力できないことを意味する。そこで、瞬時電圧値Ｖｒ（ｕ）の絶対値が最大直列電圧Ｖｐ（ｕ）を超えた場合（ステップＳ１２でＹＥＳ）、制御部５は、第一モードＭ１（ステップＳ１３）を設定し、ステップＳ３において第一モードＭ１を実行する。

これにより、ステップＳ３におけるレグ２ｕからの電圧出力を、第一モードＭ１によって高電流蓄電部ＢＰ及び高容量蓄電部ＢＥの両方を用いて出力することができる。その結果、瞬時電圧値Ｖｒ（ｕ）の絶対値が最大直列電圧Ｖｐ（ｕ）を超え、高電流蓄電部ＢＰだけでは出力できない瞬時電圧値Ｖｒ（ｕ）を、図７に示すように、第一モードＭ１によって出力することが可能となる。

一方、ステップＳ１２において、瞬時電圧値Ｖｒ（ｕ）の絶対値が最大直列電圧Ｖｐ（ｕ）を超えない場合（ステップＳ１２でＮＯ）、レグ２ｕの高電流蓄電部ＢＰのみを用いて瞬時電圧値Ｖｒ（ｕ）を出力することができるので、制御部５は、ステップＳ１４へ移行して第二モードＭ２を設定し、ステップＳ３において第二モードＭ２を実行する。

なお、瞬時電流値Ｉｒ（ｕ）の絶対値が定格電流値Ｉｅに満たない場合（ステップＳ１１でＹＥＳ）にステップＳ１２へ移行し、瞬時電流値Ｉｒ（ｕ）の絶対値が定格電流値Ｉｅ以上の場合（ステップＳ１１でＮＯ）にステップＳ１４へ移行してもよい。また、瞬時電圧値Ｖｒ（ｕ）の絶対値が最大直列電圧Ｖｐ（ｕ）以上の場合（ステップＳ１２でＹＥＳ）、ステップＳ１３へ移行し、瞬時電圧値Ｖｒ（ｕ）の絶対値が最大直列電圧Ｖｐ（ｕ）に満たない場合（ステップＳ１２でＮＯ）、ステップＳ１４へ移行してもよい。

レグ２ｖのＶ相に関するステップＳ２１～Ｓ２４、レグ２ｗのＷ相に関するステップＳ３１～Ｓ３４の処理は、瞬時電流値Ｉｒ（ｕ）の代わりに瞬時電流値Ｉｒ（ｖ），Ｉｒ（ｗ）、瞬時電圧値Ｖｒ（ｕ）の代わりに瞬時電圧値Ｖｒ（ｖ），Ｖｒ（ｗ）、レグ２ｕの代わりにレグ２ｖ，２ｗとする点を除いてステップＳ１１～Ｓ１４と同様であるのでその説明を省略する。

レグ２ｕ，２ｖ，２ｗの蓄電部ＢＸは、三相交流等に変換された電圧波形で負荷へ電力を供給するので、負荷変動に追従して瞬間的に大電流を流す必要がある。そのため、蓄電部ＢＸは、定格電流が大きい二次電池であることが好ましい。一方、蓄電部ＢＸは、放電すると電圧が低下するため、電力変換装置１を安定的に継続動作させるためには蓄電部ＢＸの蓄電容量が大きいことが望ましい。しかしながら、定格電流と、蓄電容量とが共に大きな蓄電素子は、入手が困難であったり、高価であったりする。

そこで、入手しやすい、定格電流値Ｉｐが大きく蓄電容量が小さい高電流蓄電部ＢＰ及び定格電流値Ｉｅが小さく蓄電容量が大きい高容量蓄電部ＢＥを、組み合わせて用いることによって、蓄電部ＢＸの入手が容易となり、かつコストを低減することが容易となる。さらに、複数の高電流蓄電部ＢＰ及び複数の高容量蓄電部ＢＥのうちから選択的に電流を出力させる第一モードＭ１と、複数の高電流蓄電部ＢＰのみのうちから選択的に電流を出力させる第二モードＭ２とを実行することによって、高電流蓄電部ＢＰと高容量蓄電部ＢＥとを組み合わせて用いつつ、蓄電容量と電流出力とを両立させることが容易となる。

なお、制御部５は、必ずしもステップＳ１２，Ｓ２２，Ｓ３２を実行する必要はなく、ステップＳ１１でＹＥＳのときステップＳ１３へ処理を移行し、ステップＳ２１でＹＥＳのときステップＳ２３へ処理を移行し、ステップＳ３１でＹＥＳのときステップＳ３３へ処理を移行してもよい。

また、制御部５は、必ずしもステップＳ１１，Ｓ２１，Ｓ３１を実行する必要はなく、ステップＳ５からステップＳ１２，Ｓ２２，Ｓ３２へ処理を移行してもよい。

また、電力変換装置１は、電動車両に搭載される例に限られず、制御部５は、回転角Ｒ又は要求トルクＴを取得しなくてもよく、ステップＳ１，Ｓ２を実行しなくてもよい。また、制御部５は、出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを取得しなくてもよく、ステップＳ３において、出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに基づくフィードバック制御を行う例に限らない。

出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ及び出力電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、種々の波形であってよく、モータの駆動波形に限らない。例えば、出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ及び出力電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、振幅、周波数固定の正弦波交流であってもよく、直流であってもよい。

また、電力変換装置１は、三つのレグ２ｕ，２ｖ，２ｗを備える例に限らない。電力変換装置１は、レグを一つ備える単相の電力変換装置であってもよく、レグを二つ、あるいは四つ以上備える電力変換装置であってもよい。

１ 電力変換装置
２ｕ，２ｖ，２ｗ レグ
３Ｈ 上アーム
３Ｌ 下アーム
５ 制御部
６ 三相インバータ
ＢＥ 高容量蓄電部
ＢＰ 高電流蓄電部
ＢＸ 蓄電部
Ｃ キャパシタ
ＥＭ 高容量モジュール
Ｉｅ，Ｉｐ 定格電流値
Ｉｒ（ｕ），Ｉｒ（ｖ），Ｉｒ（ｗ） 瞬時電流値
Ｉｔ 目標電流
Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ 出力電流
Ｌ インダクタ
Ｍ１ 第一モード
Ｍ２ 第二モード
ＰＭ 高電流モジュール
Ｒ 回転角
ＳＷ１～ＳＷ４ スイッチング素子（第一切換回路、第二切換回路）
Ｔ 要求トルク
Ｔ１ 端子（第一端子）
Ｔ２ 端子（第二端子）
Ｔ３ 端子（第三端子）
Ｔ４ 端子（第四端子）
Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗ 外部端子
Ｖｐ（ｕ），Ｖｐ（ｖ），Ｖｐ（ｗ） 最大直列電圧
Ｖｒ（ｕ），Ｖｒ（ｖ），Ｖｒ（ｗ） 瞬時電圧値
Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ 出力電圧
ＷＨ，ＷＬ 電力線
ＸＭ モジュール

Claims (6)

1. 上アームとインダクタと下アームとが、この順に直列接続されたレグと、
   制御部とを備え、
   前記上アーム及び前記下アームのそれぞれは、複数の高電流モジュールと複数の高容量モジュールとが直列接続された直列回路を含み、
   前記各高電流モジュールは、
   第一及び第二端子と、
   電荷を蓄える高電流蓄電部と、
   前記第一及び第二端子へ前記高電流蓄電部を接続する加入状態と前記第一及び第二端子間を短絡する離脱状態とを含む接続状態を切り換える第一切換回路とを含み、
   前記各高容量モジュールは、
   第三及び第四端子と、
   電荷を蓄える高容量蓄電部と、
   前記第三及び第四端子へ前記高容量蓄電部を接続する加入状態と前記第三及び第四端子間を短絡する離脱状態とを含む接続状態を切り換える第二切換回路とを含み、
   前記高電流蓄電部の定格電流値は、前記高容量蓄電部の定格電流値よりも大きく、
   前記高容量蓄電部の蓄電容量は、前記高電流蓄電部の蓄電容量よりも大きく、
   前記制御部は、
   前記レグから出力される電流の瞬時値の絶対値に基づき、前記各第一切換回路及び前記各第二切換回路による前記接続状態の切り換えを制御することによって、前記複数の高電流蓄電部及び前記複数の高容量蓄電部のうちから選択的に電流を出力させる第一モードと、前記複数の高電流蓄電部のみのうちから選択的に電流を出力させる第二モードとを実行する電力変換装置。
2. 前記制御部は、
   前記レグから出力される電流の瞬時値の絶対値が前記高容量蓄電部の定格電流値に満たない期間、前記第一モードを実行し、前記レグから出力される電流の瞬時値の絶対値が前記高容量蓄電部の定格電流値を超える期間、前記第二モードを実行する請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御部は、
   前記レグから出力される電圧の瞬時値の絶対値が、前記高電流モジュールのみを用いて出力可能な最大の電圧である最大直列電圧を超える期間、前記第一モードを実行し、前記レグから出力される電圧の瞬時値の絶対値が、前記最大直列電圧に満たない期間、前記第二モードを実行する請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記制御部は、
   前記レグから出力される電流の瞬時値の絶対値が前記高容量蓄電部の定格電流値に満たず、かつ前記レグから出力される電圧の瞬時値の絶対値が、前記高電流モジュールのみを用いて出力可能な最大の電圧である最大直列電圧を超える期間、前記第一モードを実行し、前記レグから出力される電流の瞬時値の絶対値が前記高容量蓄電部の定格電流値を超える期間及び前記レグから出力される電圧の瞬時値の絶対値が前記最大直列電圧に満たない期間、前記第二モードを実行する請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記各第一切換回路は、ハーフブリッジ又はフルブリッジのブリッジ回路であり、
   前記各第二切換回路は、ハーフブリッジ又はフルブリッジのブリッジ回路である請求項１に記載の電力変換装置。
6. 前記レグを三つ備え、
   前記三つのレグは、互いに並列接続されて三相インバータを構成する請求項１～５のいずれか１項に記載の電力変換装置。