專利名稱：電力轉(zhuǎn)換裝置和裝備有電力轉(zhuǎn)換裝置的車輛的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能量轉(zhuǎn)換裝置和裝備有該能量轉(zhuǎn)換裝置的車輛，更具體而言，涉及采用矩陣轉(zhuǎn)換器的能量轉(zhuǎn)換裝置和裝備有該能量轉(zhuǎn)換裝置的車輛。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著能源保護(hù)和環(huán)境問(wèn)題被日益關(guān)注，電動(dòng)車輛也引起了更多注意。電動(dòng)車輛是具有作為動(dòng)力源的直流(dc)電源、逆變器和由逆變器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)的車輛。
一種這樣的傳統(tǒng)公知電動(dòng)車輛是采用燃料電池作為dc電源的燃料電池車輛。通常，燃料電池車輛裝備有用于將再生模式下由電機(jī)產(chǎn)生的能量進(jìn)行回收的二次電池，并使用再生電力對(duì)二次電池充電，并使用燃料電池和二次電池一起對(duì)電機(jī)供應(yīng)高壓電。
更具體地，在這種燃料電池車輛中，電機(jī)通常由交流(ac)電機(jī)實(shí)現(xiàn)，而燃料電池和/或二次電池輸出dc電力，該dc電力接著被轉(zhuǎn)換為ac電力并供應(yīng)到ac電機(jī)，并且當(dāng)ac電機(jī)再生操作時(shí)，其產(chǎn)生ac電力，該ac電力接著被轉(zhuǎn)換為對(duì)二次電池充電的dc電力，此外，燃料電池輸出dc電力，該dc電力在電壓上被轉(zhuǎn)換到預(yù)定dc電壓以對(duì)二次電池充電。于是，在燃料電池、二次電池和ac電機(jī)之間進(jìn)行多種電壓轉(zhuǎn)換。
傳統(tǒng)地，這種在多個(gè)dc電源和ac電機(jī)之間進(jìn)行的電力轉(zhuǎn)換通常由結(jié)合了進(jìn)行dc-ac轉(zhuǎn)換的逆變器和進(jìn)行直流電之間的電壓轉(zhuǎn)換的變壓器的電力轉(zhuǎn)換裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。
近年來(lái)，已經(jīng)注意到將矩陣轉(zhuǎn)換器作為新的電力轉(zhuǎn)換裝置。通常，公知的是這樣一種轉(zhuǎn)換器，其能夠?qū)⒔涣麟娭苯愚D(zhuǎn)換為交流電而無(wú)需暫時(shí)地將其轉(zhuǎn)換為直流電。例如，公知的這樣一種雙向開(kāi)關(guān)，其布置成三行三列的矩陣，并將從三相ac電源輸出的規(guī)定的三相ac電壓直接轉(zhuǎn)換為任何電壓和頻率的三相ac電壓。
在美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)No.2001/0026427中公開(kāi)的電系統(tǒng)中采用了這樣的矩陣轉(zhuǎn)換器，該公開(kāi)描述了采用矩陣轉(zhuǎn)換器的過(guò)電壓保護(hù)裝置。

發(fā)明內(nèi)容
矩陣轉(zhuǎn)換器不具有在傳統(tǒng)電力轉(zhuǎn)換裝置中在轉(zhuǎn)換器處設(shè)置的電容器、電抗器等。因此，該裝置可以在尺寸上較小并還沒(méi)有由電抗器產(chǎn)生的噪音。對(duì)于特別需要該裝置小型化和安靜的車輛而言，矩陣轉(zhuǎn)換器可以理想地用作電力轉(zhuǎn)換設(shè)備。
美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)No.2001/0026427公開(kāi)了一種矩陣轉(zhuǎn)換器到電系統(tǒng)的應(yīng)用。但是，此文公開(kāi)的該矩陣轉(zhuǎn)換器操作以在主系統(tǒng)輸出三相ac電源和三相異步電機(jī)之間的交流電之間進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換，并在如上所述的燃料電池車輛中不能在多個(gè)dc電源和ac電機(jī)之間轉(zhuǎn)換電力。此外，此矩陣轉(zhuǎn)換器既不能將多個(gè)電源一起使用來(lái)對(duì)ac電機(jī)供應(yīng)ac電能，也不能當(dāng)ac電機(jī)再生操作時(shí)選擇可充電電源(或二次電池)并對(duì)其充電。
此外，當(dāng)ac電機(jī)再生操作時(shí)，正?？刂频脑偕枰猘c電機(jī)處產(chǎn)生的電動(dòng)電壓低于用作電池的二次電池的電壓，并存在對(duì)于這樣的電力轉(zhuǎn)換裝置的需求，該電力轉(zhuǎn)換裝置采用矩陣轉(zhuǎn)換器，該矩陣轉(zhuǎn)換器在ac電機(jī)的最大電動(dòng)電壓高于二次電池的電壓水平的情況下，即在二次電池的電壓水平較低的情況下，不需要單獨(dú)的轉(zhuǎn)換器二能夠根據(jù)需要與二次電池進(jìn)行再生連通。
已經(jīng)進(jìn)行了本發(fā)明來(lái)解決這些確定，并構(gòu)思了一種采用矩陣轉(zhuǎn)換器在多個(gè)dc電源和多相ac電機(jī)之間轉(zhuǎn)換電力的電力轉(zhuǎn)換裝置，其。
本發(fā)明還構(gòu)思了裝備有采用矩陣轉(zhuǎn)換器在多個(gè)dc電源和多相ac電機(jī)之間轉(zhuǎn)換電力的電力轉(zhuǎn)換裝置的車輛。
本電力轉(zhuǎn)換裝置包括矩陣轉(zhuǎn)換器，其連接到m個(gè)直流電源和n相交流電機(jī)，m和n均表示至少為2的自然數(shù)；和控制裝置，其控制所述矩陣轉(zhuǎn)換器的操作，其中所述矩陣轉(zhuǎn)換器包括電力轉(zhuǎn)換部分和連接部分，所述電力轉(zhuǎn)換部分響應(yīng)于從所述控制裝置接收的控制信號(hào)操作以在所述m個(gè)直流電源與所述n相交流電機(jī)之間轉(zhuǎn)換電力，所述連接部分響應(yīng)于從所述控制裝置接收的控制信號(hào)操作以將所述m個(gè)直流電源中的i個(gè)電源串聯(lián)連接，i表示至少為2且至多為m的自然數(shù)，且所述電力轉(zhuǎn)換部分接收從所述m個(gè)直流電源中的每個(gè)輸出的直流電力與從由所述連接部分串聯(lián)連接的所述i個(gè)直流電源輸出的直流電力中的一個(gè)直流電力，以將所述直流電力轉(zhuǎn)換為交流電力并將所述交流電力輸出到所述n相交流電機(jī)，或者從所述n相交流電機(jī)接收交流電力，以將所述交流電力轉(zhuǎn)換為直流電力并將所述直流電力輸出到所述m個(gè)直流電源中的任一個(gè)。
優(yōu)選地，所述電力轉(zhuǎn)換部分響應(yīng)于從所述控制裝置接收的所述控制信號(hào)操作，以在所述m個(gè)直流電源之間進(jìn)一步連通電力。
優(yōu)選地，所述矩陣轉(zhuǎn)換器還包括與所述m個(gè)直流電源相關(guān)聯(lián)并分別連接到所述m個(gè)直流電源的m對(duì)正極和負(fù)極的2×m根第一電源線，以及分別連接到所述n相交流電機(jī)的所述n個(gè)輸入/輸出端子的n根第二電源線；且所述電力轉(zhuǎn)換部分由分別設(shè)置在所述2×m根第一電源線和所述n根第二電源線之間的2×m×n個(gè)雙向開(kāi)關(guān)構(gòu)成。
優(yōu)選地，所述連接部分由第一開(kāi)關(guān)組構(gòu)成，所述第一開(kāi)關(guān)組包括能夠?qū)⑺?×m根第一電源線電互連的多個(gè)開(kāi)關(guān)。
優(yōu)選地，所述連接部分由第二開(kāi)關(guān)組構(gòu)成，所述第二開(kāi)關(guān)組與去除了分別能夠?qū)⑦B接到所述m個(gè)直流電源的m對(duì)第一電源線的每對(duì)短接的m個(gè)開(kāi)關(guān)的所述第一開(kāi)關(guān)組相對(duì)應(yīng)。
優(yōu)選地，所述連接部分由第三開(kāi)關(guān)組構(gòu)成，所述第三開(kāi)關(guān)組與以隨機(jī)方式去除了連接多個(gè)串聯(lián)正向連接的直流電源的開(kāi)關(guān)的所述第二開(kāi)關(guān)組相對(duì)應(yīng)。
優(yōu)選地，所述連接部分由第四開(kāi)關(guān)組構(gòu)成，所述第四開(kāi)關(guān)組與以隨機(jī)方式去除了連接多個(gè)串聯(lián)反向連接的直流電源的開(kāi)關(guān)的所述第三開(kāi)關(guān)組相對(duì)應(yīng)。
優(yōu)選地，所述連接部分由第四開(kāi)關(guān)組構(gòu)成，所述第四開(kāi)關(guān)組與去除了串聯(lián)反向連接多個(gè)直流電源的開(kāi)關(guān)的所述第三開(kāi)關(guān)組相對(duì)應(yīng)。
優(yōu)選地，當(dāng)從所述n相交流電機(jī)接收交流電力的所述電力轉(zhuǎn)換部分將所述交流電力轉(zhuǎn)換為直流電力并將所述直流電力輸出到所述m個(gè)直流電源中的任一個(gè)時(shí)，包括在所述連接部分中的任何開(kāi)關(guān)均被斷開(kāi)。
優(yōu)選地，所述電力轉(zhuǎn)換部分以2×j×n個(gè)單向開(kāi)關(guān)來(lái)代替分別設(shè)置在2×j根第一電源線與所述n根第二電源線之間的2×j×n個(gè)雙向開(kāi)關(guān)，所述2×j根第一電源線連接到不可從正極和負(fù)極充電的j個(gè)直流電源，j表示小于m的自然數(shù)。
優(yōu)選地，所述m個(gè)直流電源包括燃料電池和二次電池；所述n相交流電機(jī)由三相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)；所述電力轉(zhuǎn)換部分包括設(shè)置在分別與所述燃料電池的正極和負(fù)極連接的一對(duì)第一電源線與分別連接到所述三相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)的相線圈的三根第二電源線之間的六個(gè)單向開(kāi)關(guān)，以及設(shè)置在與分別與所述第二電池的正極和負(fù)極連接的另一對(duì)第一電源線與所述三根第二電源線之間的六個(gè)雙向開(kāi)關(guān)；且所述連接部分由設(shè)置在所述一對(duì)第一電源線的連接到所述燃料電池的所述負(fù)極的一根第一電源線與所述另一對(duì)第一電源線中的連接到所述二次電池的所述正極的一根第一電源線之間，或設(shè)置在所述一對(duì)第一電源線中的連接到所述燃料電池的所述正極的另一根第一電源線與所述另一對(duì)第一電源線中的連接到所述二次電池的所述負(fù)極的另一根第一電源線之間的雙向開(kāi)關(guān)構(gòu)成。
優(yōu)選地，電力轉(zhuǎn)換裝置還包括m個(gè)電容器，所述m個(gè)電容器與所述m個(gè)直流電源相關(guān)聯(lián)，且每個(gè)連接在一對(duì)第一電源線之間，所述一對(duì)第一電源線連接至所述直流電源中對(duì)應(yīng)的一個(gè)直流電源。
優(yōu)選地，當(dāng)所述三相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)在再生操作中將交流電力輸出到所述電力轉(zhuǎn)換部分且所述三相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)提供至少等于所述二次電池的端子間電壓的最大電動(dòng)電壓時(shí)，所述控制裝置還控制所述矩陣轉(zhuǎn)換器的操作以減弱所述三相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)的磁場(chǎng)，并在所述磁場(chǎng)減弱之后，從所述n相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)接收交流電力的所述電力轉(zhuǎn)換部分將所述交流電力轉(zhuǎn)換為直流電力，并將所述直流電力輸出到所述m個(gè)直流電源中的任一個(gè)。
優(yōu)選地，所述控制裝置控制所述矩陣轉(zhuǎn)換器的所述操作以減弱所述磁場(chǎng)，來(lái)將所述最大電動(dòng)電壓降低為低于所述端子間電壓。
優(yōu)選地，所述控制裝置控制所述矩陣轉(zhuǎn)換器的所述操作以產(chǎn)生d軸電流，用于減弱所述三相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)的所述磁場(chǎng)。
優(yōu)選地，所述控制裝置將所述連接部分中的所述單向開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。
本車輛包括m個(gè)直流電源，m表示至少為2的自然數(shù)；n相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)，n表示至少為2的自然數(shù)；以及上述電力轉(zhuǎn)換裝置，所述電力轉(zhuǎn)換裝置設(shè)置在所述m個(gè)直流電源與所述n相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)之間。
優(yōu)選地，所述m個(gè)直流電源包括至少一個(gè)燃料電池和至少一個(gè)二次電池。
優(yōu)選地，所述矩陣轉(zhuǎn)換器根據(jù)供應(yīng)到所述n相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電力水平將所述m個(gè)直流電源中的i個(gè)直流電源串聯(lián)連接，并接收由所述i個(gè)串聯(lián)連接的直流電源產(chǎn)生的直流電力以將所述直流電力轉(zhuǎn)換為n相交流電力，并將所述n相交流電力供應(yīng)到所述n相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)，i表示至多為m的自然數(shù)。
優(yōu)選地，當(dāng)所述n相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)再生操作時(shí)，所述矩陣轉(zhuǎn)換器從所述n相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)接收n相交流電力，并將所述n相交流電力轉(zhuǎn)換為直流電力以用其對(duì)所述至少一個(gè)二次電池充電。
優(yōu)選地，當(dāng)所述m個(gè)直流電源互相連通電力時(shí)，所述控制裝置控制所述矩陣轉(zhuǎn)換器的操作以產(chǎn)生對(duì)所述n相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)提供為0的q軸電流的電壓模式。
在本電力轉(zhuǎn)換裝置中，m根dc電源和n相ac電機(jī)具有連接到其的矩陣轉(zhuǎn)換器，且矩陣轉(zhuǎn)換器包括包括在m個(gè)直流電源與n相交流電機(jī)之間轉(zhuǎn)換電力的電力轉(zhuǎn)換部分和能將m個(gè)直流電源中的i個(gè)電源串聯(lián)連接的連接部分，使得根據(jù)m個(gè)dc電源與n相電機(jī)之間的電力流動(dòng)模式，通過(guò)連接部分在m個(gè)dc電源與n相ac電機(jī)之間動(dòng)態(tài)地轉(zhuǎn)換電路構(gòu)造，并此外電力轉(zhuǎn)換部分在m個(gè)dc電源與n相ac電機(jī)之間轉(zhuǎn)換電力。
于是，根據(jù)本發(fā)明，可以在m個(gè)dc電源與n相ac電機(jī)之間實(shí)現(xiàn)多種電力連通，并可以產(chǎn)生在m個(gè)dc電源串聯(lián)連接時(shí)的最大dc電壓范圍內(nèi)的任意ac電壓，且該ac電壓可以供應(yīng)到n相ac電機(jī)。此外，本電力轉(zhuǎn)換裝置可以省去傳統(tǒng)電力轉(zhuǎn)換裝置所裝備的電抗器、電容器等。本電力轉(zhuǎn)換裝置可以減小尺寸并且沒(méi)有由電抗器引起的噪聲，由此可以實(shí)現(xiàn)改善的安靜度。
此外，在本電力轉(zhuǎn)換裝置中，根據(jù)由連接部分連接dc電源的狀況，去除了不必要的開(kāi)關(guān)。連接部分可以由與需要使用狀況相對(duì)應(yīng)的合適數(shù)量的開(kāi)關(guān)構(gòu)成。
于是，電力轉(zhuǎn)換裝置可以由與需要使用狀況相對(duì)應(yīng)的最小所需數(shù)量的開(kāi)關(guān)行程。
此外，在本電力轉(zhuǎn)換裝置中，電力轉(zhuǎn)換裝置的連接到與不可充電dc電源相連接的第一電源線的開(kāi)關(guān)是單向開(kāi)關(guān)，于是可以避免功率元件在不期望方向上導(dǎo)通電流。
于是，可以實(shí)現(xiàn)具有不會(huì)浪費(fèi)和不足的合適開(kāi)關(guān)構(gòu)造的電力轉(zhuǎn)換裝置。
此外，在本電力轉(zhuǎn)換裝置中，電容器設(shè)置在連接到dc電源的正極和負(fù)極的第一電源線之間?？梢詼p小第一電源線的電壓變化。
于是，本發(fā)明可以減小每個(gè)設(shè)備上由于開(kāi)關(guān)操作引起的脈動(dòng)的效果。
此外，在本電力轉(zhuǎn)換裝置中，當(dāng)三相ac旋轉(zhuǎn)電機(jī)在再生操作中將ac電壓輸出到電力轉(zhuǎn)換部分，且三相ac旋轉(zhuǎn)電機(jī)的最大電動(dòng)電壓至少等于或高于二次電池的端子間電壓，則機(jī)械制動(dòng)器用于減小三相ac旋轉(zhuǎn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速率，并因此降低電動(dòng)電壓。
于是，不論二次電池的端子間電壓如何，本發(fā)明都可以實(shí)現(xiàn)從三相ac旋轉(zhuǎn)電機(jī)到二次電池的再生連通。
此外，在本電力轉(zhuǎn)換裝置中，在再生操作中，當(dāng)三相ac旋轉(zhuǎn)電機(jī)的最大電動(dòng)電壓等于或高于二次電池的端子間電壓時(shí)，可以減弱三相ac旋轉(zhuǎn)電機(jī)的磁場(chǎng)，并從而可以降低三相ac旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電動(dòng)電壓。
于是，無(wú)論二次電池的端子間電壓如何，本發(fā)明都可以實(shí)現(xiàn)從三相ac旋轉(zhuǎn)電機(jī)到二次電池的再生連通。
此外，在本電力轉(zhuǎn)換裝置中，在再生操作中，當(dāng)三相ac旋轉(zhuǎn)電機(jī)的最大電動(dòng)電壓等于或高于二次電池的端子間電壓時(shí)，控制裝置產(chǎn)生d軸電流異減弱三相ac旋轉(zhuǎn)電機(jī)的磁場(chǎng)，并將連接部分中的單向開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，以提供升高的dc電壓。
于是，本發(fā)明可以提供更高響應(yīng)性的d軸電流控制，并結(jié)果提供了從三相ac旋轉(zhuǎn)電機(jī)到二次電池的更高響應(yīng)性的再生操作。
此外，本發(fā)明提供了包括一種車輛，包括m個(gè)dc電源，n相ac旋轉(zhuǎn)電機(jī)和在m個(gè)dc電源與n相ac旋轉(zhuǎn)電機(jī)之間轉(zhuǎn)換電力的電力轉(zhuǎn)換裝置。因此，m個(gè)dc電源線和n相ac旋轉(zhuǎn)電機(jī)可以根據(jù)電力流動(dòng)模式而多樣地連通電力。此外，省去了電抗器、電容器等，并可以實(shí)現(xiàn)特別為車輛所需要的減小的尺寸和改善的安靜度。
此外，在本車輛中，當(dāng)m個(gè)dc電源連通電力時(shí)，產(chǎn)生一種電壓模式，以對(duì)n相ac旋轉(zhuǎn)電機(jī)提供為0的q軸電流。在n相ac旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，不產(chǎn)生任何旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。
因此，可以提供充分考慮安全性的車輛。


圖1是示出了在其中安裝有第一實(shí)施例的本電力轉(zhuǎn)換裝置的燃料電池車輛中的電力系統(tǒng)的主要部分的構(gòu)造的電路圖。
圖2是如圖1所示的雙向開(kāi)關(guān)的構(gòu)造的電路圖。
圖3是示出圖1的雙向開(kāi)關(guān)的另一種構(gòu)造的電路4是示出當(dāng)燃料電池處于供電模式且電動(dòng)發(fā)電機(jī)執(zhí)行供電操作時(shí)設(shè)置的電力流動(dòng)的框圖。
圖5是示出對(duì)于如圖4所示的電力流動(dòng)模式P1的電力流動(dòng)的電路圖。
圖6是示出當(dāng)燃料電池和電池處于供電模式且電動(dòng)發(fā)電機(jī)執(zhí)行供電操作時(shí)設(shè)置的電力流動(dòng)的框圖。
圖7是示出對(duì)于如圖6所示的電力流動(dòng)模式P2的電力流動(dòng)的電路圖。
圖8是示出當(dāng)燃料電池處于供電模式，電動(dòng)發(fā)電機(jī)執(zhí)行供電操作，且電池處于再生模式時(shí)設(shè)置的電力流動(dòng)的框圖。
圖9是示出對(duì)于如圖8所示的電力流動(dòng)模式P3的電力流動(dòng)的電路圖。
圖10是示出當(dāng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)再生操作且電池處于再生模式時(shí)設(shè)置的電力流動(dòng)的框圖。
圖11是示出對(duì)于圖10所示電力流動(dòng)模式P4的電力流動(dòng)的電路圖。
圖12是解釋對(duì)于圖10和11所示再生操作所施加的控制的流程圖。
圖13是示出當(dāng)電池處于供電模式且電動(dòng)發(fā)電機(jī)執(zhí)行供電操作時(shí)設(shè)置的電力流動(dòng)的框圖。
圖14是示出對(duì)于如圖13所示的電力流動(dòng)模式P5的電力流動(dòng)的電路圖。
圖15是示出當(dāng)燃料電池處于供電模式且電池處于再生模式時(shí)設(shè)置的電力流動(dòng)的框圖。
圖16是示出對(duì)于如圖15所示的電力流動(dòng)模式P6的電力流動(dòng)的電路圖。
圖17是解釋對(duì)于第二實(shí)施例中的再生操作所施加的控制的流程圖。
圖18是解釋對(duì)于示例性變化的第二實(shí)施例中的再生操作所施加的控制的流程圖。
圖19是示出第三實(shí)施例中的本電力轉(zhuǎn)換裝置的構(gòu)造的電路圖。
圖20和21是示出第一和第二示例性變化的第三實(shí)施例的本電力轉(zhuǎn)換裝置的構(gòu)造的電路圖。
圖22示出了當(dāng)電池串聯(lián)正向連接時(shí)所應(yīng)用的連接的構(gòu)造。
圖23是示出第三示例性變化的第三實(shí)施例的本電力轉(zhuǎn)換裝置的構(gòu)造的電路圖。
圖24示出了當(dāng)電池串聯(lián)反向連接時(shí)所應(yīng)用的連接的構(gòu)造。
圖25是示出第四示例性變化的第三實(shí)施例的本電力轉(zhuǎn)換裝置的構(gòu)造的電路圖。
具體實(shí)施例方式
此后，將參考附圖更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明。在附圖中，相同或相似部件被相同地標(biāo)識(shí)。
第一實(shí)施例參考附圖，燃料電池車輛100包括電力轉(zhuǎn)換部分10、連接部分20、控制裝置30、燃料電池FC、電池BAT、以及電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG。
燃料電池FC是從由例如氫或類似燃料與氧化劑之間引起的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量來(lái)獲得電力的dc發(fā)電電池。燃料電池FC產(chǎn)生dc電力，該dc電力接著被供應(yīng)到電力轉(zhuǎn)換部分10。電池BAT例如是二次電池，該二次電池例如是鎳氫電池或鋰離子電池等。電池BAT將dc電力供應(yīng)到電力轉(zhuǎn)換部分10，并利用從電力轉(zhuǎn)換部分10接收的dc電力充電。
電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG是三相ac同步電動(dòng)發(fā)電機(jī)，并包括具有設(shè)置有多個(gè)永磁體的外周表面的轉(zhuǎn)子(未示出)和纏繞有產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的三相線圈的定子(未示出)。電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG可以作為通過(guò)由永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)和由三相線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的相互作用而旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的電機(jī)來(lái)工作，也可以作為通過(guò)由永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)的相互作用而在三相線圈的相對(duì)端部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的發(fā)電機(jī)來(lái)工作。
電力轉(zhuǎn)換部分10從燃料電池FC或電池BAT接收dc電力，將dc電力轉(zhuǎn)換為ac電力，并將ac電力輸出到電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG。而且，當(dāng)將在下文說(shuō)明的連接部分20將燃料電池FC和電池BAT串聯(lián)連接，且串聯(lián)連接的燃料電池FC和電池BAT輸出高電壓的dc電力時(shí)，電力轉(zhuǎn)換部分10將dc電力轉(zhuǎn)換為ac電力，并將ac電力輸出到電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG。而且，電力轉(zhuǎn)換部分10將由電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG產(chǎn)生的ac電力轉(zhuǎn)換為dc電力并用其對(duì)電池BAT充電。
連接部分20響應(yīng)于從控制裝置30接收的控制信號(hào)操作以通過(guò)將連接到電池BAT正極的電源線LC和連接到燃料電池FC負(fù)極的電源線LB互連而將燃料電池FC和電池BAT串聯(lián)連接。
控制裝置30控制電力轉(zhuǎn)換部分10和連接部分20以使得電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG根據(jù)從燃料電池FC和/或電池BAT供應(yīng)的電力產(chǎn)生與電機(jī)轉(zhuǎn)矩命令相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。
更具體地，當(dāng)使用僅從燃料電池FC或電池BAT提供的dc電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG時(shí)，控制裝置30對(duì)連接部分20輸出控制信號(hào)以將電源線LC與電源線LB電斷開(kāi)，并對(duì)電力轉(zhuǎn)換部分10輸出脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)以將燃料電池FC或電池BAT的dc電力轉(zhuǎn)換為ac電力，并將ac電力輸出到電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG。
此外，當(dāng)燃料電池FC和電池BAT串聯(lián)連接以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG時(shí)，控制裝置30對(duì)連接部分20輸出控制信號(hào)以將電源線LC和LB互連，并對(duì)電力轉(zhuǎn)換部分10輸出PWM信號(hào)以將通過(guò)連接部分20串聯(lián)連接的燃料電池FC和電池BAT的dc電力轉(zhuǎn)換為ac電力，并將該ac電力輸出到電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG。
此外，控制裝置30控制電力轉(zhuǎn)換部分10和連接部分20以將由電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG產(chǎn)生的ac電力轉(zhuǎn)換為dc電力來(lái)用該dc電力對(duì)電池BAT充電。更具體地，控制裝置30對(duì)連接部分20輸出控制信號(hào)以將電源線LC和LB電斷開(kāi)，并對(duì)電力轉(zhuǎn)換部分10輸出控制信號(hào)以將由電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG產(chǎn)生的ac電力整流為dc電力，并還將電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG處產(chǎn)生的電動(dòng)電壓Vmg升壓轉(zhuǎn)換到電池BAT的端子間電壓Vbat。
注意，在上述再生操作中，正?？刂频脑偕枰妱?dòng)發(fā)電機(jī)MG處產(chǎn)生的電動(dòng)電壓Vmg具有比電池BAT的端子間電壓Vbat小的最大值。因此，當(dāng)電動(dòng)電壓Vmg具有等于或大于端子間電壓Vbat的最大值時(shí)，控制裝置30對(duì)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG輸出制動(dòng)命令以通過(guò)機(jī)械制動(dòng)來(lái)使得電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG制動(dòng)，并當(dāng)電動(dòng)電壓Vmg最大值減小為小于端子間電壓Vbat時(shí)，控制裝置30對(duì)電力轉(zhuǎn)換部分10輸出上述控制信號(hào)。
在燃料電池車輛100中，電力轉(zhuǎn)換部分10將從燃料電池FC提供的dc電力轉(zhuǎn)換為ac電力，并將該dc電力供應(yīng)到電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG。而且，電力轉(zhuǎn)換部分10還可以將從電池BAT提供的dc電力轉(zhuǎn)換為ac電力，并將該ac電力供應(yīng)到電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG。
此外，電力轉(zhuǎn)換部分10可以從通過(guò)連接部分20串聯(lián)連接的燃料電池FC和電池BAT接收dc電力，將該dc電壓轉(zhuǎn)換為ac電壓，并將該ac電壓供應(yīng)到電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG。此外，電力轉(zhuǎn)換部分10還可以接收由再生操作的電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG產(chǎn)生的ac電力，將該ac電壓轉(zhuǎn)換為dc電壓，并將該dc電壓供應(yīng)到電池BAT。
電力轉(zhuǎn)換部分10和連接部分20通過(guò)矩陣轉(zhuǎn)換器構(gòu)造。電力轉(zhuǎn)換部分10包括開(kāi)關(guān)SAa-SDa、SAb-SDb和SAc-SDc，以及電源線LA-LD、La-Lc。連接部分20包括開(kāi)關(guān)SCd和電源線Ld。
電源線LA、LB分別在正極和負(fù)極連接到燃料電池FC。電源線LC、LD分別在正極和負(fù)極連接到電池BAT。電源線La-Lc分別連接到電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的與中性點(diǎn)相對(duì)的U、V和W相線圈側(cè)。此外，電源線Ld連接到電源線LB。
開(kāi)關(guān)SAa、SBa、SAb、SBb、SAc、SBc、SCd分別由單向開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。開(kāi)關(guān)SAa、SAb、SAc分別連接在電源線LA和電源線La、Lb、Lc之間，并響應(yīng)于從控制裝置30接收的PWM信號(hào)而操作，以將來(lái)自電源線LA的電流分別傳遞到電源線La、Lb、Lc。開(kāi)關(guān)SBa、SBb、SBc分別連接在電源線LB和電源線La、Lb、Lc之間，并響應(yīng)于從控制裝置30接收的PWM信號(hào)而操作，以將來(lái)自電源線La、Lb、Lc的電流分別傳遞到電源線LB。開(kāi)關(guān)SCd連接在電源線LC和電源線Ld之間，并響應(yīng)于從控制裝置30接收的控制信號(hào)而操作，以將來(lái)自電源線LC的電流傳遞到電源線Ld。
開(kāi)關(guān)SCa、SDa、SCb、SDb、SCc、SDc均是雙向開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)SCa、SCb、SCc分別連接在電源線LC和電源線La、Lb、Lc之間，且開(kāi)關(guān)SDa、SDb、SDc分別連接在電源線LD和電源線La、Lb、Lc之間。當(dāng)電池BAT將電力供應(yīng)到電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG時(shí)，開(kāi)關(guān)SCa、SCb、SCc響應(yīng)于從控制裝置30接收的PWM信號(hào)而操作，以將來(lái)自電源線LC的電流分別傳遞到電源線La、Lb、Lc，且開(kāi)關(guān)SDa、SDb、SDc響應(yīng)于信號(hào)而操作，以將來(lái)自電源線La、Lb、Lc的電流分別傳遞到電源線LD。此外，當(dāng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG對(duì)電池BAT供應(yīng)電力時(shí)，開(kāi)關(guān)SCa、SDa、SCb、SDb、SCc、SDc響應(yīng)于從控制裝置30接收的控制信號(hào)而操作，以整流從電源線La、Lb、Lc接收的電力并將其供應(yīng)到電池BAT。
控制裝置30接收電機(jī)轉(zhuǎn)矩命令值、電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的每相的電流值、以及從燃料電池FC和電池BAT輸出的電壓，并計(jì)算電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的每相線圈的電壓。由電流傳感器(未示出)檢測(cè)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的每相的電流值，并由電壓傳感器(未示出)檢測(cè)從燃料電池FC和電池BAT輸出的電壓。
控制裝置30由燃料電池車輛100的電力流動(dòng)模式和所計(jì)算的電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的每相的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)，以產(chǎn)生用于將來(lái)自燃料電池FC和/或電池BAT的所需電力供應(yīng)到電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的PWM信號(hào)，并將PWM信號(hào)輸出到每個(gè)開(kāi)關(guān)SAa-SDa、SAb-SDb和SAc-SDc。
此外，控制裝置30由燃料電池車輛100的電力流動(dòng)模式來(lái)驅(qū)動(dòng)，以產(chǎn)生用于串聯(lián)連接燃料電池FC和電池BAT的控制信號(hào)，并將所產(chǎn)生的控制信號(hào)輸出到開(kāi)關(guān)SCd。
此外，控制裝置30檢測(cè)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的每相的電壓，以及燃料電池FC和電池BAT的端子間電壓，并通過(guò)其被驅(qū)動(dòng)以產(chǎn)生用于將來(lái)自電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG或燃料電池FC的電力供應(yīng)到電池BAT的控制信號(hào)，并將所產(chǎn)生的控制信號(hào)輸出到每個(gè)開(kāi)關(guān)SAa-SDa、SAb-SDb和SAc-SDc。由電壓傳感器(未示出)檢測(cè)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的每相的電壓。
將在下文更詳細(xì)說(shuō)明燃料電池車輛100的功率通路模式以及控制裝置30、電力轉(zhuǎn)換部分10和連接部分20根據(jù)其的具體操作。
注意，上文中，電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG對(duì)應(yīng)于“三相ac旋轉(zhuǎn)電機(jī)”，電源線LA-LD對(duì)應(yīng)于“第一電源線”，而電源線LA-LC對(duì)應(yīng)于“第二電源線”。
圖2是示出圖1所示的雙向開(kāi)關(guān)的構(gòu)造的電路圖。
參考該圖，雙向開(kāi)關(guān)構(gòu)造了每個(gè)包括功率半導(dǎo)體元件52、54和二極管56、58的開(kāi)關(guān)SCa、SDa、SCb、SDb、SCc、SDc。功率半導(dǎo)體元件52、54例如通過(guò)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)實(shí)現(xiàn)。
功率半導(dǎo)體元件52具有連接到端子60的集電極、連接到二極管56的正極的發(fā)射極、和從控制裝置30(未示出)接收控制信號(hào)的基極。二極管56具有連接到功率半導(dǎo)體元件52的正極和連接到端子62的負(fù)極。
此外，功率半導(dǎo)體元件54具有連接到端子62的集電極、連接到二極管58的正極的發(fā)射極、和從控制裝置30收控制信號(hào)的基極。二極管58具有連接到功率半導(dǎo)體元件54的正極和連接到端子60的負(fù)極。
功率半導(dǎo)體元件52和二極管56在這樣的一個(gè)點(diǎn)處互連，該點(diǎn)連接到將功率半導(dǎo)體元件54和二極管58互連的點(diǎn)。端子60、62分別連接到兩根對(duì)應(yīng)的電源線。
當(dāng)此開(kāi)關(guān)從控制裝置30接收有源控制信號(hào)時(shí)，功率半導(dǎo)體元件52可以導(dǎo)通以使電流經(jīng)由功率半導(dǎo)體元件52和二極管56從端子60傳遞至62。此外，當(dāng)此開(kāi)關(guān)從控制裝置30接收有源控制信號(hào)時(shí)，功率半導(dǎo)體元件54也可以導(dǎo)通以使電流經(jīng)由功率半導(dǎo)體元件54和二極管58從端子62傳遞至60。
因此，當(dāng)開(kāi)關(guān)從控制裝置30接收有源控制信號(hào)，且端子60在電壓上高于端子62時(shí)，電流經(jīng)由有源半導(dǎo)體元件52和二極管56從端子60流動(dòng)至62。二極管58被反向偏壓，且功率半導(dǎo)體元件54不具有在相反方向上流動(dòng)經(jīng)過(guò)的電流。當(dāng)開(kāi)關(guān)從控制裝置30接收有源控制信號(hào)，且端子62在電壓上高于端子60時(shí)，電流經(jīng)由有源半導(dǎo)體元件54和二極管58從端子62流動(dòng)至60。二極管56被反向偏壓，且功率半導(dǎo)體元件52不具有在相反方向上流動(dòng)經(jīng)過(guò)的電流。
圖3是示出如圖1所示的雙向開(kāi)關(guān)的另一種構(gòu)造的電路圖。
參考該圖，雙向開(kāi)關(guān)構(gòu)造了每個(gè)包括由具有反向阻斷功能的IGBT實(shí)現(xiàn)的功率半導(dǎo)體元件72、74的開(kāi)關(guān)SCa、SDa、SCb、SDb、SCc、SDc。此IGBT具有能夠承受以相反方向施加到該元件的電壓的足夠的介電強(qiáng)度。
功率半導(dǎo)體元件72具有分別連接到端子60和62的集電極和發(fā)射極，以及從控制裝置30(未示出)接收控制信號(hào)的基極。功率半導(dǎo)體元件74具有分別連接到端子62和60的集電極和發(fā)射極，以及從控制裝置30接收控制信號(hào)的基極。
當(dāng)此開(kāi)關(guān)從控制裝置30接收有源控制信號(hào)時(shí)，功率半導(dǎo)體元件72和74兩者都導(dǎo)通。結(jié)果，當(dāng)該開(kāi)關(guān)從控制裝置30接收有源控制信號(hào)，且端子60在電壓上高于端子62時(shí)，電流經(jīng)由功率半導(dǎo)體元件72從端子60流動(dòng)至62。雖然功率半導(dǎo)體元件74被反向偏壓，但是功率半導(dǎo)體元件74由于其足夠的介電強(qiáng)度而不會(huì)被損壞。此外，當(dāng)開(kāi)關(guān)從控制裝置30接收有源控制信號(hào)，且端子62在電壓上高于端子60時(shí)，電流經(jīng)由功率半導(dǎo)體元件74從端子62流動(dòng)至60。雖然功率半導(dǎo)體元件72被反向偏壓，但是功率半導(dǎo)體元件72由于其足夠的介電強(qiáng)度而不會(huì)被損壞。
注意，雖然未具體示出，但是單向開(kāi)關(guān)SAa、SBa、SAb、SBb、SAc、SBc每個(gè)例如由IGBT或類似功率半導(dǎo)體元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖4-18圖示了根據(jù)圖1的燃料電池車輛11的電力流動(dòng)模式、以及電流的控制裝置30、電力轉(zhuǎn)換部分10和連接部分20的具體操作。對(duì)于燃料電池車輛100，存在如下六種電力流動(dòng)模式P1-P6P1燃料電池FC處于供電模式(或輸出電力)，且電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG執(zhí)行供電操作；P2燃料電池FC和電池BAT處于供電模式，且電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG執(zhí)行供電操作；P3燃料電池FC處于供電模式，電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG執(zhí)行供電操作，且電池BAT處于再生模式(或充電)；P4電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG再生操作，且電池BAT處于再生模式；P5電池BAT處于供電模式，且電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG執(zhí)行供電操作；和P6燃料電池FC處于供電模式，且電池BAT處于再生模式。
圖4是示出當(dāng)燃料電池FC處于供電模式且電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG執(zhí)行供電操作時(shí)提供的電力流動(dòng)的框圖。圖5是示出用于如圖4所示的電力流動(dòng)模式P1所提供的電力流動(dòng)的電路圖。
參考圖4和5，控制裝置30接收電機(jī)轉(zhuǎn)矩命令值、電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的每相的電流值、和從燃料電池FC和電池BAT輸出的電壓，并計(jì)算電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的每相線圈的電壓。控制裝置30由所計(jì)算的電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的每相電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)，以產(chǎn)生PWM信號(hào)并將PWM信號(hào)輸出到開(kāi)關(guān)SAa-SAc、SBa-SBc。
開(kāi)關(guān)SAa-SAc、SBa-SBc響應(yīng)于從控制裝置30接收的PWM信號(hào)操作而導(dǎo)通/斷開(kāi)，以執(zhí)行將從燃料電池FC輸出的dc電壓轉(zhuǎn)換為ac電壓的逆變操作。從燃料電池FC輸出的dc電壓從而被電力轉(zhuǎn)換部分10轉(zhuǎn)換為ac電壓，并被輸出到電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG。
注意，對(duì)于電力流動(dòng)模式P1，其他開(kāi)關(guān)SCa-SCc、SDa-SDc、SCd是常斷開(kāi)的。
圖6是示出當(dāng)燃料電池FC和電池BAT處于供電模式且電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG執(zhí)行供電操作時(shí)提供的電力流動(dòng)的框圖，且圖7是示出用于如圖6所示的電力流動(dòng)模式P2的電力流動(dòng)的電路圖。
參考圖6和7，控制裝置30向連接部分20輸出控制信號(hào)以導(dǎo)通開(kāi)關(guān)SCd，以為了高電壓而將燃料電池FC和電池BAT串聯(lián)連接。此外，控制裝置30如對(duì)于電力流動(dòng)模式P1所進(jìn)行的來(lái)計(jì)算電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的每相線圈的電壓，并由所計(jì)算的電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的每相的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)，以產(chǎn)生PWM信號(hào)，并將PWM信號(hào)輸出到開(kāi)關(guān)SAa-SAc、SDa-SDc。
開(kāi)關(guān)SAa-SAc、SDa-SDc的每個(gè)響應(yīng)于從控制裝置30接收的PWM信號(hào)操作而導(dǎo)通/斷開(kāi)，以執(zhí)行將從燃料電池FC和電池BAT輸出的dc電壓轉(zhuǎn)換為ac電壓的逆變操作。從燃料電池FC和電池BAT輸出的dc電壓從而被電力轉(zhuǎn)換部分10轉(zhuǎn)換為ac電壓，并被輸出到電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG。
注意，對(duì)于電力流動(dòng)模式P2，其他開(kāi)關(guān)SBa-SBc、SCa-SCc是常斷開(kāi)的。
圖8是示出當(dāng)燃料電池FC處于供電模式，電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG執(zhí)行供電操作，且電池BAT處于再生模式時(shí)提供的電力流動(dòng)的框圖，且圖9是示出用于如圖8所示的電力流動(dòng)模式P3的電力流動(dòng)的電路圖。
參考圖8和9，控制裝置30如對(duì)于電力流動(dòng)模式P1所進(jìn)行的來(lái)計(jì)算電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的每相線圈的電壓，并由所計(jì)算的電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的每相的電壓驅(qū)動(dòng)，以產(chǎn)生PWM信號(hào)，并將PWM信號(hào)輸出到開(kāi)關(guān)SAa-SAc、SBa-SBc。
此外，控制裝置30由所檢測(cè)的燃料電池FC和電池BAT的端子間電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)，以產(chǎn)生用于將來(lái)自燃料電池FC的電力供應(yīng)到電池BAT的控制信號(hào)，并將所產(chǎn)生的控制信號(hào)輸出到開(kāi)關(guān)SCa-SCc、SDa-SDc。
每個(gè)開(kāi)關(guān)SAa-SAc、SBa-SBc都響應(yīng)于從控制裝置30接收的PWM信號(hào)操作而導(dǎo)通/斷開(kāi)，以執(zhí)行將從燃料電池FC輸出的dc電壓轉(zhuǎn)換為ac電壓的逆變操作。開(kāi)關(guān)SCa-SCc、SDa-SDc的每個(gè)響應(yīng)于從控制裝置30接收的控制信號(hào)操作而導(dǎo)通/斷開(kāi)，以對(duì)電源線La-Lc上由開(kāi)關(guān)SAa-SAc、SBa-SBc進(jìn)行ac轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)電流的一部分進(jìn)行整流。從燃料電池FC輸出的dc電力從而被電力轉(zhuǎn)換部分10轉(zhuǎn)換為ac電力，并被輸出到電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG并同時(shí)用于對(duì)電池BAT充電。
注意，對(duì)于電力流動(dòng)模式P3，開(kāi)關(guān)SCd是常斷開(kāi)的。
圖10是示出當(dāng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG再生操作且電池BAT處于再生模式時(shí)提供的電力流動(dòng)的框圖，且圖11是示出用于如圖10所示的電力流動(dòng)模式P4的電力流動(dòng)的電路圖。
參考圖10和11，控制裝置30由所檢測(cè)的電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的每相的電壓和所檢測(cè)的電池BAT端子間電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)，以產(chǎn)生控制信號(hào)并將控制信號(hào)輸出到開(kāi)關(guān)SCa-SCc、SDa-SDc。
開(kāi)關(guān)SCa-SCc、SDa-SDc的每個(gè)響應(yīng)于從控制裝置30接收的控制信號(hào)操作而導(dǎo)通/斷開(kāi)，以整流電源線La-Lc上從電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG輸出的ac電力，并將其輸出到電池BAT。于是，由電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG產(chǎn)生的電力對(duì)電池BAT充電。
注意，對(duì)于先前所述的，正常控制的再生需要電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG產(chǎn)生的電動(dòng)電壓Vmg具有小于電池BAT端子間電壓Vbat的最大值。因此，當(dāng)電動(dòng)電壓Vmg具有等于或大于端子間電壓Vbat的最大值時(shí)，控制裝置30對(duì)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG輸出制動(dòng)命令以通過(guò)機(jī)械制動(dòng)來(lái)使電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG制動(dòng)，并當(dāng)電動(dòng)電壓Vmg最大值減小為小于端子間電壓Vbat時(shí)，控制裝置30對(duì)再生進(jìn)行控制。
注意，對(duì)于電力流動(dòng)模式P4，開(kāi)關(guān)SAa-SAc、SBa-SBc、SCd是常斷開(kāi)的。
圖12是用于圖10和11的再生操作的控制的流程圖。
參考該圖，對(duì)于圖10和11的電力流動(dòng)模式P4，控制裝置30判斷電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG電動(dòng)電壓Vmg是否具有等于或大于電池BAT端子間電壓Vbat的最大電壓最大值(Vmg)(步驟S10)。如果電壓最大值(Vmg)小于電壓Vbat，則控制裝置30控制再生以將由電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG產(chǎn)生的ac電力轉(zhuǎn)換為dc電力，并用其對(duì)電池BAT充電(步驟S40)。
如果在步驟S10，控制裝置30判斷電壓最大值(Vmg)等于或大于電壓Vbat，則控制裝置30對(duì)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG輸出制動(dòng)命令以減小電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的轉(zhuǎn)速。電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG接收該命令并響應(yīng)地致動(dòng)機(jī)械制動(dòng)器以減小其轉(zhuǎn)速(步驟S20)。
當(dāng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG轉(zhuǎn)速減小時(shí)，在電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG處產(chǎn)生的電動(dòng)電壓Vmg降低?？刂蒲b置30判斷電動(dòng)電壓Vmg是否具有小于端子間電壓Vbat的最大電壓最大值(Vmg)(步驟S30)，并且如果是，則控制裝置30對(duì)再生進(jìn)行控制(步驟S40)。
如果電壓最大值(Vmg)仍然等于或大于端子間電壓Vbat，則需要進(jìn)一步減小電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG轉(zhuǎn)速，并控制控制裝置30返回步驟S20。
圖13是示出當(dāng)電池BAT處于供電模式且電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG供電操作時(shí)提供的電力流動(dòng)的框圖，且圖14是示出用于如圖13所示的電力流動(dòng)模式P5的電力流動(dòng)的電路圖。
參考圖13和14，控制裝置30如對(duì)于電力流動(dòng)模式P1所進(jìn)行的來(lái)計(jì)算電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的每相線圈的電壓，并由所計(jì)算的電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的每相的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)，以產(chǎn)生PWM信號(hào)，并將PWM信號(hào)輸出到開(kāi)關(guān)SCa-SCc、SDa-SDc。
開(kāi)關(guān)SCa-SCc、SDa-SDc的每個(gè)響應(yīng)于從控制裝置30接收的PWM信號(hào)操作而導(dǎo)通/斷開(kāi)，以執(zhí)行將從電池BAT輸出的dc電壓轉(zhuǎn)換為ac電壓的逆變操作。從電池BAT輸出的dc電力從而被電力轉(zhuǎn)換部分10轉(zhuǎn)換為ac電力，并被輸出到電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG。
注意，對(duì)于電力流動(dòng)模式P5，其他開(kāi)關(guān)SAa-SAc、SBa-SBc、SCd是常斷開(kāi)的。更具體而言，對(duì)于電力流動(dòng)模式P5，燃料電池FC的輸出被停止，而由電池BAT的輸出單獨(dú)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG。通過(guò)電力流動(dòng)模式P5進(jìn)行的操作也稱作“間歇操作”。
圖15是示出當(dāng)燃料電池FC處于供電模式且電池BAT處于再生模式時(shí)提供的電力流動(dòng)的框圖，且圖16是示出用于如圖15所示的電力流動(dòng)模式P6的電力流動(dòng)的電路圖。
參考圖15和16，控制裝置30產(chǎn)生使開(kāi)關(guān)SAa-SAc、SBa-SBc導(dǎo)通/斷開(kāi)的PWM信號(hào)，并將所產(chǎn)生的PWM信號(hào)輸出到這些開(kāi)關(guān)。更具體而言，控制裝置30通過(guò)用于電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的旋轉(zhuǎn)位置傳感器(未示出)檢測(cè)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的轉(zhuǎn)角θ，并產(chǎn)生PWM信號(hào)以產(chǎn)生對(duì)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG提供為0的q軸電流的電壓模式。因?yàn)殡娏α鲃?dòng)模式P6提供為響應(yīng)于電池BAT的減小的充電狀態(tài)而強(qiáng)制并直接地由燃料電池FC對(duì)電池BAT充電，所以產(chǎn)生這樣的PWM信號(hào)，并因此防止從燃料電池FC到電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的電力流動(dòng)。
此外，控制裝置30對(duì)開(kāi)關(guān)SCa-SCc、SDa-SDc輸出控制信號(hào)，使得這些開(kāi)關(guān)分別與開(kāi)關(guān)SAa-SAc、SBa-SBc同步地切換。
開(kāi)關(guān)SAa-SAc、SBa-SBc的每個(gè)響應(yīng)于從控制裝置30接收的控制信號(hào)操作而導(dǎo)通/斷開(kāi)，以執(zhí)行將從燃料電池FC輸出的dc電壓轉(zhuǎn)換為ac電壓的逆變操作。開(kāi)關(guān)SCa-SCc、SDa-SDc的每個(gè)響應(yīng)于從控制裝置30接收的控制信號(hào)操作而分別與開(kāi)關(guān)SAa-SAc、SBa-SBc同步地導(dǎo)通/斷開(kāi)，以整流由開(kāi)關(guān)SAa-SAc、SBa-SBc進(jìn)行ac轉(zhuǎn)換的電流，并將整流后的電流輸出到電池BAT。
這允許電池BAT被燃料電池FC直接充電而不引起從燃料電池FC到電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的電力流動(dòng)。
注意，對(duì)于電力流動(dòng)模式P6，開(kāi)關(guān)SCd是常斷開(kāi)的。
注意在圖1中，燃料電池車輛100的電容器可以分別設(shè)置在電源線LA和LB之間以及電源線LC和LC之間，以使dc電源線的電壓平滑。這可以減小每個(gè)設(shè)備上由于電力轉(zhuǎn)換部分10中的開(kāi)關(guān)操作引起的脈動(dòng)。
此外，雖然在以上說(shuō)明中，dc電源是燃料電池FC和電池BAT，但是其在類型和數(shù)量上不受限制，并且可以使用不同的公知dc電壓，還可以設(shè)置三個(gè)或更多dc電源。
此外，雖然在以上說(shuō)明中，ac電機(jī)是由三相ac同步電機(jī)得到的電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG，但是其不限于此，而可以是三相ac感應(yīng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)、n相ac電機(jī)等。
此外，雖然在以上說(shuō)明中，對(duì)于燃料電池車輛100存在六種電力流動(dòng)模式，但是它們不限于此，并根據(jù)以上所述的電力轉(zhuǎn)換裝置可以構(gòu)造多種電力流動(dòng)模式。
于是，在第一實(shí)施例中，dc電源或燃料電池FC和電池BAT，以及ac電機(jī)或電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG具有連接到其的矩陣轉(zhuǎn)換器，且該矩陣轉(zhuǎn)換器包括在燃料電池FC、電池BAT和電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG之間轉(zhuǎn)換電力的電力轉(zhuǎn)換部分10，和將燃料電池FC和電池BAT串聯(lián)連接的連接部分20，由此根據(jù)燃料電池車輛100的電力流動(dòng)模式，通過(guò)連接部分20動(dòng)態(tài)地轉(zhuǎn)換燃料電池FC、電池BAT和電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG之間的電路構(gòu)造，并此外還由電力轉(zhuǎn)換部分10在燃料電池FC、電池BAT和電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG之間轉(zhuǎn)換電力。
于是，根據(jù)上述每個(gè)電力流動(dòng)模式，可以實(shí)現(xiàn)燃料電池FC、電池BAT和電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG之間的多種電力連通，并可以產(chǎn)生當(dāng)燃料電池FC和電池BAT串聯(lián)連接時(shí)的最大dc電壓的范圍內(nèi)的任何ac電壓，該ac電壓可以供應(yīng)到電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG。此外，本電力轉(zhuǎn)換裝置可以省去傳統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)換裝置所裝備的電抗器、電容器等。燃料電池車輛100可以減小尺寸并且沒(méi)有由電抗器引起的噪音，由此可以在安靜度方面改善車輛。
此外，在第一實(shí)施例中，在再生操作中采用機(jī)械制動(dòng)以減小電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的轉(zhuǎn)速來(lái)防止電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的電動(dòng)電壓Vmg達(dá)到或超過(guò)電池BAT端子間電壓Vbat，從而確保從電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG到電池BAT的再生連通。
此外，在第一實(shí)施例中，連接到與燃料電池燃料電池FC(其不能從電源線進(jìn)行再生)相連接的電源線LA、LB的開(kāi)關(guān)SAa-SAc、SBa-SBc是單向開(kāi)關(guān)，而可以避免功率元件在不期望的方向上傳遞電流?？梢詫?shí)現(xiàn)不會(huì)過(guò)度也不會(huì)不足的合適開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)所構(gòu)造的電力轉(zhuǎn)換裝置。
此外，在第一實(shí)施例中，當(dāng)應(yīng)用電力流動(dòng)模式P6以將電力從燃料電池FC供應(yīng)到電池BAT時(shí)，產(chǎn)生的電壓模式使得對(duì)于電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的q軸電流是0。在電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG中，沒(méi)有產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，且可以提供充分考慮了安全性的燃料電池車輛100。
第二實(shí)施例第二實(shí)施例與第一實(shí)施例不同之處在于為電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG執(zhí)行再生操作的電力流動(dòng)模式P4所進(jìn)行的操作控制。
參考圖1，第二實(shí)施例提供了燃料電池車輛100A，其對(duì)應(yīng)于用控制設(shè)備30A代替控制裝置30的第一實(shí)施例的燃料電池車輛100。注意，在燃料電池車輛100A中，控制裝置30A不對(duì)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG發(fā)出制動(dòng)命令。燃料電池車輛100A的構(gòu)造中的其他部分與燃料電池車輛100相同。
對(duì)于再生操作或電力流動(dòng)模式P4，控制裝置30A對(duì)連接部分20輸出控制信號(hào)，以將電源線LC與電源線LB斷開(kāi)并對(duì)電力轉(zhuǎn)換部分10輸出控制信號(hào)來(lái)將由電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG產(chǎn)生的ac電力整流為dc電力，并還將電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG處產(chǎn)生的電動(dòng)電壓Vmg升壓轉(zhuǎn)換到電池BAT端子間電壓。
注意，如前所述，在再生操作中正?？刂频脑偕箅妱?dòng)發(fā)電機(jī)MG處產(chǎn)生的電動(dòng)電壓Vmg具有小于電池BAT端子間電壓Vbat的最大值。因此當(dāng)電動(dòng)電壓Vmg具有等于或大于端子間電壓Vbat的最大值時(shí)，控制裝置30A采用從燃料電池FC輸出的電流來(lái)控制電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的磁場(chǎng)以使其減弱。
更具體而言，控制裝置30A控制連接到與燃料電池FC相連接的電源線LA、LB的開(kāi)關(guān)SAa-SAc、SBa-SBc，以切換為對(duì)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG輸出d軸電流，用于減弱電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的磁場(chǎng)。當(dāng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的磁場(chǎng)減弱時(shí)，電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG處的電動(dòng)電壓Vmg降低，且控制裝置30A控制連接到與電池BAT相連接的電源線LC、LD的開(kāi)關(guān)SCa-SCc、SDa-SDc，以執(zhí)行電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的再生操作。
注意，對(duì)于除了電力流動(dòng)模式P4之外的其他電力流動(dòng)模式，控制裝置30A提供與控制裝置30相同的控制操作。
圖17是第二實(shí)施例中對(duì)于再生操作所施加的控制的流程圖。
參考該圖，此流程對(duì)應(yīng)于如圖12所示的第一實(shí)施例中用步驟S25代替步驟S20的再生操作。
如果在步驟S10，控制裝置30A判斷電壓最大值(Vmg)等于或大于電壓Vbat，則控制裝置30A控制開(kāi)關(guān)SAa-SAc、SBa-SBc，以切換和采用燃料電池FC來(lái)減弱電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的磁場(chǎng)(步驟S25)。當(dāng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG磁場(chǎng)減弱時(shí)，電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG產(chǎn)生的電動(dòng)電壓Vmg降低，且控制裝置30A進(jìn)行到步驟S30。
示例性變化的第二實(shí)施例在再生操作的第二實(shí)施例中，采用燃料電池FC作為dc電源，并采用d軸電流來(lái)控制磁場(chǎng)以將其減弱。在采用d軸電流來(lái)控制磁場(chǎng)以將其減弱的情況下的示例性變化的第二實(shí)施例中，連接部分20將燃料電池FC和電池BAT串聯(lián)連接以在d軸電流控制下實(shí)現(xiàn)高電壓的電源。這允許d軸電流控制，即，控制磁場(chǎng)以將其減弱，以實(shí)現(xiàn)高度響應(yīng)性。
圖18是示例性變化的第二實(shí)施例中對(duì)于再生操作所施加的控制的流程圖。
參考該圖，此流程對(duì)應(yīng)于如圖17所示的第二實(shí)施例中加上步驟S15和S35的再生操作。
如果在步驟S10，控制裝置30A判斷電壓最大值(Vmg)等于或大于電壓Vbat，則控制裝置30A使連接部分20的開(kāi)關(guān)SCd導(dǎo)通(步驟S15)。當(dāng)開(kāi)關(guān)SCd導(dǎo)通且燃料電池FC和電池BAT串聯(lián)連接時(shí)，控制裝置30A控制開(kāi)關(guān)SAa-SAc、SDa-SDc，以切換和采用燃料電池FC和電池來(lái)控制并從而減弱電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的磁場(chǎng)(步驟S25)。
此外，如果在步驟S30，控制裝置30A判斷電壓最大值(Vmg)小于端子間電壓Vbat，則控制裝置30A使連接部分20的開(kāi)關(guān)SCd導(dǎo)通(步驟S35)，并控制開(kāi)關(guān)SCa-SCc、SDa-SDc以切換為對(duì)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的再生進(jìn)行控制(步驟S40)。
于是，在第二實(shí)施例及其示例性變化方案中，在再生操作中電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的磁場(chǎng)被控制以減弱，來(lái)防止電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG的電動(dòng)電壓Vmg達(dá)到或超過(guò)電池BAT端子間電壓Vbat，并從而確保從電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG到電池BAT的再生連通。
此外，在第二實(shí)施例的示例性變化方案中，在再生操作中當(dāng)磁場(chǎng)被控制以減弱時(shí)，連接部分20將開(kāi)關(guān)SCd導(dǎo)通以在d軸電流控制下提供高電壓的dc電源。d軸電流控制可以在響應(yīng)性上得到增強(qiáng)，并因此再生操作可以具有更高的響應(yīng)性。
第三實(shí)施例第一和第二實(shí)施例提供了具有由兩個(gè)dc電源(即，燃料電池FC和電池BAT)實(shí)現(xiàn)的dc電源的電力轉(zhuǎn)換裝置，且燃料電池FC未設(shè)置有從電源線再生(或充電)的功能。第三實(shí)施例提供了更一般化的電力轉(zhuǎn)換裝置。
圖19是示出第三實(shí)施例中本電力轉(zhuǎn)換裝置的布置的電路圖。雖然圖19代表性地示出了在三個(gè)可充電并可放電的dc電源和三相ac電機(jī)之間轉(zhuǎn)換電力的電力轉(zhuǎn)換裝置，但是第三實(shí)施例提供了不限于此的更一般化的電力轉(zhuǎn)換裝置，并能夠容易地延及在m個(gè)可充電并可放電的dc電源和n相ac電機(jī)之間轉(zhuǎn)換電力的電力轉(zhuǎn)換裝置，其中m和n是等于或大于2的自然數(shù)。
參考圖19，電力轉(zhuǎn)換裝置200包括電力轉(zhuǎn)換部分15、連接部分25和控制裝置35。電力轉(zhuǎn)換部分15連接到電池BAT1-BAT3和三相ac電機(jī)45。
電池BAT1-BAT3是可充電并可放電的二次電池，而且對(duì)電力轉(zhuǎn)換部分15供應(yīng)dc電力，以及用從電力轉(zhuǎn)換部分15接收的dc電力充電。三相ac電機(jī)45從電力轉(zhuǎn)換部分15接收電力以執(zhí)行供電操作，以及再生操作以再生并將能量供應(yīng)到電力轉(zhuǎn)換部分15。
電力轉(zhuǎn)換部分15在BAT1-BAT3和三相ac電機(jī)45之間對(duì)電力進(jìn)行轉(zhuǎn)換和連通。此外，當(dāng)將在下文說(shuō)明的連接部分25串聯(lián)連接電池BAT1-BAT3中任意兩個(gè)或全部時(shí)，電力轉(zhuǎn)換部分15將從串聯(lián)連接的電池輸出的高電壓的dc電力轉(zhuǎn)換為ac電力，并將ac電力輸出到三相ac電機(jī)45。
連接部分25通過(guò)響應(yīng)于從控制裝置35接收的控制信號(hào)操作以將電源線LA-LF有選擇地連接到電池BAT1-BAT3的正極和負(fù)極，來(lái)將電池BAT1-BAT3中的任意兩個(gè)或全部串聯(lián)連接。
控制裝置35根據(jù)電力轉(zhuǎn)換模式操作以控制電力轉(zhuǎn)換部分15，來(lái)允許電池BAT1-BAT3和三相ac電機(jī)45之間所期望的電力轉(zhuǎn)換。此外，控制裝置35根據(jù)電力轉(zhuǎn)換模式操作以控制連接部分25，來(lái)將BAT1-BAT3中的任意兩個(gè)或全部串聯(lián)連接。
電力轉(zhuǎn)換部分15和連接部分25由矩陣轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。電力轉(zhuǎn)換部分15包括開(kāi)關(guān)SAa-SFa、SAb-SFb、SAc-SFc和電源線LA-LF、La-Lc。連接部分25包括開(kāi)關(guān)SBd-SFd、SCe-SFe、SDf-SFf、SEg、SFg、SFh和電源線Ld-Lh。
電源線LA、LB分別在正極和負(fù)極連接到電池BAT1。電源線LC、LD分別在正極和負(fù)極連接到電池BAT2。電源線LE、LF分別在正極和負(fù)極連接到電池BAT3。電源線La-Lc分別在相端子處連接到三相ac電機(jī)45，且電源線Ld-Lh分別連接到電源線LA-LF。
注意，在以上說(shuō)明中，電源線LA-LF對(duì)應(yīng)于“第一電源線”，電源線LA-LC對(duì)應(yīng)于“第二電源線”。
電力轉(zhuǎn)換部分15和連接部分25每個(gè)具有如圖2或3所示的雙向開(kāi)關(guān)構(gòu)成的開(kāi)關(guān)，并可響應(yīng)于從控制裝置35接收的控制信號(hào)操作以傳遞具有方向的電流，其方向取決于每個(gè)都具有連接到其的開(kāi)關(guān)的兩根電源線之間的電勢(shì)差。
如圖19所示的連接部分25具有最通用的電路構(gòu)造之一。更具體而言，連接部分25具有布置為下三角矩陣的開(kāi)關(guān)的電路構(gòu)造。這種布置允許電池BAT1-BAT3以任何順序和方向連接。
如果使用m個(gè)dc電源，且連接部分25具有布置在上述下三角矩陣中的開(kāi)關(guān)，則要求開(kāi)關(guān)的數(shù)量N1如以下等式所示N1=Σk=12m-1k=(2m-1)m...(1)]]>第一示例性變化的第三實(shí)施例圖20是示出第一示例性變化的第三實(shí)施例的本電力轉(zhuǎn)換裝置的布置的電路圖。
參考該附圖，電力轉(zhuǎn)換裝置200A對(duì)應(yīng)于用連接部分25A代替連接部分25的圖19的電力轉(zhuǎn)換裝置200，連接部分25A對(duì)應(yīng)于去除開(kāi)關(guān)SBd、SDf、SFh和電源線Lh的連接部分25。
更具體而言，雖然連接部分25A用于通過(guò)選擇并電連接電源線LA-LF來(lái)將電池BAT1-BAT3串聯(lián)連接，但是在電源線之間不存在如將每個(gè)電池BAT1-BAT3的正極和負(fù)極短接的這種形式的連接，并因此連接部分25從其省去了用于連接電源線LA和LB的開(kāi)關(guān)SBd、用于連接電源線LC和LD的開(kāi)關(guān)SDf、以及用于連接電源線LE和LF的開(kāi)關(guān)SFh。
如果采用m個(gè)dc電源并且電力轉(zhuǎn)換裝置200A是一般化的，則連接部分25A具有如以下等式所示的開(kāi)關(guān)的數(shù)量N2N2＝N1-m＝2(m-1)m...(2)第二示例性變化的第三實(shí)施例圖21是示出第二示例性變化的第三實(shí)施例的本電力轉(zhuǎn)換裝置的布置的電路圖。
參考該附圖，電力轉(zhuǎn)換裝置200B對(duì)應(yīng)于用連接部分25B代替連接部分25的圖19的電力轉(zhuǎn)換裝置200，連接部分25B對(duì)應(yīng)于去除開(kāi)關(guān)SCe、SEe、SEg的連接部分25。
更具體而言，如圖22所示，當(dāng)從三相ac電機(jī)45相對(duì)應(yīng)于輸出側(cè)觀察，電池串聯(lián)正向連接時(shí)，改變連接的順序仍然被認(rèn)為提供了類似的電源布置，并在連接部分25A布置中，連接電源線LA和LD的開(kāi)關(guān)SDd以及連接電源線LB和LC的開(kāi)關(guān)SCe對(duì)于電池BAT1和BAT2之間的連接關(guān)系而言是冗余的，并因此省去了一個(gè)開(kāi)關(guān)SCe。類似地，對(duì)于電池BAT1和BAT3之間的連接而言是冗余的開(kāi)關(guān)SFd、SEe以及對(duì)于電池BAT2和BAT3之間的連接而言是冗余的開(kāi)關(guān)SFf、SEg分別將其一個(gè)開(kāi)關(guān)SEe和SEg省去。
注意，雖然在以上說(shuō)明中，在冗余開(kāi)關(guān)中省去了開(kāi)關(guān)SCe、SEe、SEg，但是可以省去其他開(kāi)關(guān)SDd、SFd、SFf。
這里，如果采用m個(gè)dc電源并且電力轉(zhuǎn)換裝置200B是一般化的，則連接部分25B具有如以下等式所示的開(kāi)關(guān)的數(shù)量N3N3=Σk=1m-1k×3=32(m-1)m...(3)]]>第三示例性變化的第三實(shí)施例圖23是示出第三示例性變化的第三實(shí)施例的本電力轉(zhuǎn)換裝置的布置的電路圖。
參考該附圖，電力轉(zhuǎn)換裝置200C對(duì)應(yīng)于用連接部分25C代替連接部分25的圖19的電力轉(zhuǎn)換裝置200，連接部分25C對(duì)應(yīng)于去除開(kāi)關(guān)SDe、SEe、SFg和電源線Le、Lg的圖21的連接部分25B。
更具體而言，如圖24所示，當(dāng)從三相ac電機(jī)45相對(duì)應(yīng)于輸出側(cè)觀察，電池串聯(lián)反向連接時(shí)，改變連接的順序仍然被認(rèn)為提供了類似的電源布置，并在連接部分25B布置中，連接電源線LA和LD的開(kāi)關(guān)SCd以及連接電源線LB和LD的開(kāi)關(guān)SDe對(duì)于電池BAT1和BAT2之間的連接關(guān)系而言是冗余的，并因此省去了一個(gè)開(kāi)關(guān)SDe。類似地，對(duì)于電池BAT1和BAT3之間的連接而言是冗余的開(kāi)關(guān)SEd、SFe以及對(duì)于電池BAT2和BAT3之間的連接而言是冗余的開(kāi)關(guān)SEf、SFg分別將其一個(gè)開(kāi)關(guān)SFe和SFg省去。
注意，雖然在以上說(shuō)明中，在冗余開(kāi)關(guān)中省去了開(kāi)關(guān)SDe、SFe、SFg，但是可以省去其他開(kāi)關(guān)SCd、SFd、SEf。但是，應(yīng)該注意，在此情況下，電源線Le、Lg不能省去。因此，考慮到裝置的最小化，優(yōu)選地省去開(kāi)關(guān)SDe、SFe、SFg。
這里，如果采用m個(gè)dc電源并且電力轉(zhuǎn)換裝置200C是一般化的，則連接部分25C具有如以下等式所示的開(kāi)關(guān)的數(shù)量N4N4=Σk=1m-1k×2=(m-1)m...(4)]]>第四示例性變化的第三實(shí)施例圖25是示出第四示例性變化的第三實(shí)施例的本電力轉(zhuǎn)換裝置的布置的電路圖。
參考該附圖，電力轉(zhuǎn)換裝置200D對(duì)應(yīng)于用連接部分25D代替連接部分25的圖19的電力轉(zhuǎn)換裝置200，連接部分25D對(duì)應(yīng)于去除開(kāi)關(guān)SCd、SEd、SEf的圖23的連接部分25C。
更具體而言，第三實(shí)施例及其第一至第三示例性變化方案分別容許連接部分25-25C中電池的反向連接。第四示例性變化的第三實(shí)施例通過(guò)設(shè)置了具有反向連接電池而強(qiáng)制直接地用一個(gè)電池對(duì)另一個(gè)電池充電的功能，并具有使得連接部分25用作正向連接多個(gè)電池以產(chǎn)生高電壓的dc電力的功能的電力轉(zhuǎn)換部分15，還省去了反向連接電池BAT1-BAT3的開(kāi)關(guān)SCd、SEd、SEf。
注意，如果第三實(shí)施例的第四示例性變化方案采用兩個(gè)dc電源，則電力轉(zhuǎn)換裝置200D具有與第一實(shí)施例的電力轉(zhuǎn)換裝置相對(duì)應(yīng)的構(gòu)造。
這里，如果采用m個(gè)dc電源并且電力轉(zhuǎn)換裝置200D是一般化的，則連接部分25D具有如以下等式所示的開(kāi)關(guān)的數(shù)量N5N5=Σk=1m-1k=12(m-1)m...(5)]]>注意，電力轉(zhuǎn)換裝置200和200A-200D可以設(shè)置有分別在電源線LA和LB之間、電源線LC和LD之間以及在電源線LE和LF之間的電容器，以使得dc電源線的電壓平滑。這可以減少每個(gè)設(shè)備上由于電力轉(zhuǎn)換部分15中的切換引起的脈動(dòng)的效應(yīng)。
因此，在第三實(shí)施例的dc電源中，電池BAT1-BAT3和三相ac電機(jī)45具有連接到其的矩陣轉(zhuǎn)換器，且矩陣轉(zhuǎn)換器包括在電池BAT1-BAT3和三相ac電機(jī)45之間轉(zhuǎn)換電力的電力轉(zhuǎn)換部分15，以及能夠串聯(lián)連接電池BAT1-BAT3的連接部分25。這允許連接部分25根據(jù)電力轉(zhuǎn)換裝置200中電力轉(zhuǎn)換部分來(lái)動(dòng)態(tài)地轉(zhuǎn)換電池BAT1-BAT3和三相ac電機(jī)45的電路構(gòu)造，并還允許電力轉(zhuǎn)換部分15在電池BAT1-BAT3和三相ac電機(jī)45之間進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換。
于是，可以在電池BAT1-BAT3和三相ac電機(jī)45之間實(shí)現(xiàn)多種電力連通，并可以產(chǎn)生當(dāng)燃料電池BAT1-BAT3串聯(lián)連接時(shí)提供的最大dc電壓的范圍內(nèi)的任何ac電壓，該ac電壓可以供應(yīng)到三相ac電機(jī)45。此外，本電力轉(zhuǎn)換裝置可以省去傳統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)換裝置所裝備的電抗器、電容器等。電力轉(zhuǎn)換裝置200可以減小尺寸并且沒(méi)有由電抗器引起的噪音，由此可以在安靜度上改善電力轉(zhuǎn)換裝置200。
此外，在第三實(shí)施例的第一至第四示例性變化方案中，連接部分25A-25D根據(jù)用于連接電池BAT1-BAT3的狀況去除了不必要的開(kāi)關(guān)。連接部分可以由與需要使用狀況相對(duì)應(yīng)的合適數(shù)量的開(kāi)關(guān)，且電力轉(zhuǎn)換裝置可以由與需要使用狀況相對(duì)應(yīng)的最小所需數(shù)量的開(kāi)關(guān)形成。
雖然已經(jīng)詳細(xì)說(shuō)明并解釋了本發(fā)明，但是應(yīng)該清楚理解的是，這僅是解釋和示例的方式，而未采取限制的方式，本發(fā)明的精神和范圍僅由所附權(quán)利要求的項(xiàng)限制。
權(quán)利要求
1.一種電力轉(zhuǎn)換裝置，包括矩陣轉(zhuǎn)換器(10，20；15，25，25A-25D)，其連接到m個(gè)直流電源(FC、BAT；BAT1-BAT3)和n相交流電機(jī)(MG；45)，m和n均表示至少為2的自然數(shù)；和控制裝置(30、30A；35)，其控制所述矩陣轉(zhuǎn)換器(10，20；15，25，25A-25D)的操作，其中所述矩陣轉(zhuǎn)換器(10，20；15，25，25A-25D)包括電力轉(zhuǎn)換部分(10；15)和連接部分(20；25，25A-25D)，所述電力轉(zhuǎn)換部分(10；15)響應(yīng)于從所述控制裝置(30、30A；35)接收的控制信號(hào)操作以在所述m個(gè)直流電源(FC、BAT；BAT1-BAT3)與所述n相交流電機(jī)(MG；45)之間轉(zhuǎn)換電力，所述連接部分(20；25，25A-25D)響應(yīng)于從所述控制裝置(30、30A；35)接收的控制信號(hào)操作以將所述m個(gè)直流電源(FC、BAT；BAT1-BAT3)中的i個(gè)電源串聯(lián)連接，i表示至少為2且至多為m的自然數(shù)，且所述電力轉(zhuǎn)換部分(10；15)接收從所述m個(gè)直流電源(FC、BAT；BAT1-BAT3)中的每個(gè)輸出的直流電力與從由所述連接部分(20；25，25A-25D)串聯(lián)連接的所述i個(gè)直流電源輸出的直流電力中的一個(gè)直流電力，以將所述直流電力轉(zhuǎn)換為交流電力并將所述交流電力輸出到所述n相交流電機(jī)(MG；45)，或者從所述n相交流電機(jī)(MG；45)接收交流電力，以將所述交流電力轉(zhuǎn)換為直流電力并將所述直流電力輸出到所述m個(gè)直流電源(FC、BAT；BAT1-BAT3)中的任一個(gè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述電力轉(zhuǎn)換部分(10；15)響應(yīng)于從所述控制裝置(30、30A；45)接收的所述控制信號(hào)操作，以在所述m個(gè)直流電源(FC、BAT；BAT1-BAT3)之間進(jìn)一步連通電力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述矩陣轉(zhuǎn)換器(10，20；15，25，25A-25D)還包括與所述m個(gè)直流電源(FC、BAT；BAT1-BAT3)相關(guān)聯(lián)并分別連接到所述m個(gè)直流電源(FC、BAT；BAT1-BAT3)的m對(duì)正極和負(fù)極的2×m根第一電源線(LA-LF)，以及分別連接到所述n相交流電機(jī)(MG；45)的所述n個(gè)輸入/輸出端子的n根第二電源線(La-Lc)；且所述電力轉(zhuǎn)換部分(10；15)由分別設(shè)置在所述2×m根第一電源線和所述n根第二電源線之間的2×m×n個(gè)雙向開(kāi)關(guān)(SAa、SDc；SAa-SFc)構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述連接部分(25)由第一開(kāi)關(guān)組構(gòu)成，所述第一開(kāi)關(guān)組包括能夠?qū)⑺?×m根第一電源線(LA-LF)電互連的多個(gè)開(kāi)關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述連接部分(25A)由第二開(kāi)關(guān)組構(gòu)成，所述第二開(kāi)關(guān)組與去除了分別能夠?qū)⑦B接到所述m個(gè)直流電源(BAT1-BAT3)的m對(duì)第一電源線的每對(duì)短接的m個(gè)開(kāi)關(guān)的所述第一開(kāi)關(guān)組相對(duì)應(yīng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述連接部分(25B)由第三開(kāi)關(guān)組構(gòu)成，所述第三開(kāi)關(guān)組與以隨機(jī)方式去除了連接多個(gè)串聯(lián)正向連接的直流電源的開(kāi)關(guān)的所述第二開(kāi)關(guān)組相對(duì)應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述連接部分(25C)由第四開(kāi)關(guān)組構(gòu)成，所述第四開(kāi)關(guān)組與以隨機(jī)方式去除了連接多個(gè)串聯(lián)反向連接的直流電源的開(kāi)關(guān)的所述第三開(kāi)關(guān)組相對(duì)應(yīng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述連接部分(25D)由第四開(kāi)關(guān)組構(gòu)成，所述第四開(kāi)關(guān)組與去除了串聯(lián)反向連接多個(gè)直流電源的開(kāi)關(guān)的所述第三開(kāi)關(guān)組相對(duì)應(yīng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4至8中任一項(xiàng)所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其中當(dāng)從所述n相交流電機(jī)(45)接收交流電力的所述電力轉(zhuǎn)換部分(15)將所述交流電力轉(zhuǎn)換為直流電力并將所述直流電力輸出到所述m個(gè)直流電源(BAT1-BAT3)中的任一個(gè)時(shí)，包括在所述連接部分(25、25A-25D)中的任何開(kāi)關(guān)均被斷開(kāi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求3至8中任一項(xiàng)所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述電力轉(zhuǎn)換部分(10)以2×j×n個(gè)單向開(kāi)關(guān)(SAa-SBc)來(lái)代替分別設(shè)置在2×j根第一電源線與所述n根第二電源線之間的2×j×n個(gè)雙向開(kāi)關(guān)，所述2×j根第一電源線連接到不可從正極和負(fù)極充電的j個(gè)直流電源(FC)，j表示小于m的自然數(shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求3至8中任一項(xiàng)所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，還包括m個(gè)電容器，所述m個(gè)電容器與所述m個(gè)直流電源(FC、BAT；BAT1-BAT3)相關(guān)聯(lián)，且每個(gè)連接在一對(duì)第一電源線之間，所述一對(duì)第一電源線連接至所述直流電源中對(duì)應(yīng)的一個(gè)直流電源。
12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述m個(gè)直流電源(FC、BAT)包括燃料電池(FC)和二次電池(BAT)；所述n相交流電機(jī)(MG)由三相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)(MG)實(shí)現(xiàn)；所述電力轉(zhuǎn)換部分(10)包括設(shè)置在分別與所述燃料電池(FC)的正極和負(fù)極連接的一對(duì)第一電源線(LA、LB)與分別連接到所述三相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)(MG)的相線圈的三根第二電源線(La-Lc)之間的六個(gè)單向開(kāi)關(guān)(SAa-SBc)，以及設(shè)置在與分別與所述第二電池(BAT)的正極和負(fù)極連接的另一對(duì)第一電源線(LC、LD)與所述三根第二電源線(La-Lc)之間的六個(gè)雙向開(kāi)關(guān)(SCa-SDc)；且所述連接部分(20)由設(shè)置在所述一對(duì)第一電源線(LA、LB)中的連接到所述燃料電池(FC)的所述負(fù)極的一根第一電源線與所述另一對(duì)第一電源線(LC、LD)中的連接到所述二次電池(BAT)的所述正極的一根第一電源線之間，或設(shè)置在所述一對(duì)第一電源線(LA、LB)中的連接到所述燃料電池(FC)的所述正極的另一根第一電源線與所述另一對(duì)第一電源線(LC、LD)中的連接到所述二次電池(BAT)的所述負(fù)極的另一根第一電源線之間的雙向開(kāi)關(guān)(SCd)構(gòu)成。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，還包括m個(gè)電容器，所述m個(gè)電容器與所述m個(gè)直流電源(FC、BAT；BAT1-BAT3)相關(guān)聯(lián)，且每個(gè)連接在一對(duì)第一電源線之間，所述一對(duì)第一電源線連接至所述直流電源中對(duì)應(yīng)的一個(gè)直流電源。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其中當(dāng)所述三相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)(MG)在再生操作中將交流電力輸出到所述電力轉(zhuǎn)換部分(10)且所述三相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)(MG)提供至少等于所述二次電池(BAT)的端子間電壓的最大電動(dòng)電壓時(shí)，所述控制裝置(30、30A)將控制命令輸出到所述三相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)(MG)以減小其轉(zhuǎn)速，所述三相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)(MG)響應(yīng)于所述控制命令操作機(jī)械制動(dòng)器以減小所述轉(zhuǎn)速，并在所述轉(zhuǎn)速減小之后，從所述n相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)(MG)接收交流電力的所述電力轉(zhuǎn)換部分(10)將所述交流電力轉(zhuǎn)換為直流電力，并將所述直流電力輸出到所述m個(gè)直流電源中的任一個(gè)(BAT)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述控制裝置(30、30A)減小所述三相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)(MG)的所述轉(zhuǎn)速以將所述最大電動(dòng)電壓降低為低于所述端子間電壓。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其中當(dāng)所述三相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)(MG)在再生操作中將交流電力輸出到所述電力轉(zhuǎn)換部分(10)且所述三相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)(MG)提供至少等于所述二次電池(BAT)的端子間電壓的最大電動(dòng)電壓時(shí)，所述控制裝置(30、30A)還控制所述矩陣轉(zhuǎn)換器(10、20)的操作以減弱所述三相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)(MG)的磁場(chǎng)，并在所述磁場(chǎng)減弱之后，從所述n相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)(MG)接收交流電力的所述電力轉(zhuǎn)換部分(10)將所述交流電力轉(zhuǎn)換為直流電力，并將所述直流電力輸出到所述m個(gè)直流電源中的任一個(gè)(BAT)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述控制裝置(30、30A)控制所述矩陣轉(zhuǎn)換器(10、20)的所述操作以減弱所述磁場(chǎng)，來(lái)將所述最大電動(dòng)電壓降低為低于所述端子間電壓。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述控制裝置(30、30A)控制所述矩陣轉(zhuǎn)換器(10、20)的所述操作以產(chǎn)生d軸電流，用于減弱所述三相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)(MG)的所述磁場(chǎng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其中所述控制裝置(30、30A)將所述連接部分(20)中的所述單向開(kāi)關(guān)(SCd)導(dǎo)通。
20.一種車輛，包括m個(gè)直流電源(FC、BAT；BAT1-BAT3)，m表示至少為2的自然數(shù)；n相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)(MG；45)，n表示至少為2的自然數(shù)；以及根據(jù)權(quán)利要求1至8和12至19中任一項(xiàng)所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，所述電力轉(zhuǎn)換裝置設(shè)置在所述m個(gè)直流電源(FC、BAT；BAT1-BAT3)與所述n相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)(MG；45)之間。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的車輛，其中所述m個(gè)直流電源(FC、BAT；BAT1-BAT3)包括至少一個(gè)燃料電池(FC)和至少一個(gè)二次電池(BAT)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的車輛，其中當(dāng)所述n相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)(MG；45)再生操作時(shí)，所述矩陣轉(zhuǎn)換器(10、20；15，25、25A-25D)從所述n相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)(MG；45)接收n相交流電力，并將所述n相交流電力轉(zhuǎn)換為直流電力以用其對(duì)所述至少一個(gè)二次電池(BAT)充電。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的車輛，其中所述矩陣轉(zhuǎn)換器(10、20；15、25、25A-25D)根據(jù)供應(yīng)到所述n相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)(MG；45)的電力水平將所述m個(gè)直流電源(FC、BAT；BAT1-BAT3)中的i個(gè)直流電源串聯(lián)連接，并接收由所述i個(gè)串聯(lián)連接的直流電源產(chǎn)生的直流電力以將所述直流電力轉(zhuǎn)換為n相交流電力，并將所述n相交流電力供應(yīng)到所述n相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)(MG；45)，i表示至多為m的自然數(shù)。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的車輛，其中當(dāng)所述m個(gè)直流電源(FC、BAT；BAT1-BAT3)互相連通電力時(shí)，所述控制裝置(30、30A；35)控制所述矩陣轉(zhuǎn)換器(10、20；15、25、25A-25D)的操作以產(chǎn)生對(duì)所述n相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)(MG；45)提供為0的q軸電流的電壓模式。
全文摘要
在對(duì)應(yīng)于dc電源的燃料電池(FC)和電池(BAT)與對(duì)應(yīng)于ac電機(jī)的電動(dòng)發(fā)電機(jī)(MG)之間轉(zhuǎn)換電力的電力轉(zhuǎn)換部分(10)和連接部分(20)構(gòu)成了矩陣轉(zhuǎn)換器。對(duì)于要求dc電源提供高電壓的電力流動(dòng)模式，連接部分(20)中的開(kāi)關(guān)(SCd)響應(yīng)于從控制裝置(30)接收的控制信號(hào)而操作，以將電源線(LC)與電源線(LC)電連接而將燃料電池(FC)與電池(BAT)串聯(lián)連接。
文檔編號(hào)H02M7/66GK1973427SQ20058001805
公開(kāi)日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2005年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月3日
發(fā)明者及部七郎齋, 石川哲浩, 矢野剛志, 木全政弘, 真儒夢(mèng)陀亞瑠剛羅武, 由宇義珍 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社, 三菱電機(jī)株式會(huì)社