CN100566113C - 电力转换装置和装备有电力转换装置的车辆 - Google Patents

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Abstract

在对应于dc电源的燃料电池(FC)和电池(BAT)与对应于ac电机的电动发电机(MG)之间转换电力的电力转换部分(10)和连接部分(20)构成了矩阵转换器。对于要求dc电源提供高电压的电力流动模式，连接部分(20)中的开关(SCd)响应于从控制装置(30)接收的控制信号而操作，以将电源线(LC)与电源线(LC)电连接而将燃料电池(FC)与电池(BAT)串联连接。

Description

电力转换装置和装备有电力转换装置的车辆
技术领域
本发明涉及能量转换装置和装备有该能量转换装置的车辆，更具体而言，涉及采用矩阵转换器的能量转换装置和装备有该能量转换装置的车辆。
背景技术
近年来，随着能源保护和环境问题被日益关注，电动车辆也引起了更多注意。电动车辆是具有作为动力源的直流(dc)电源、逆变器和由逆变器驱动的电机的车辆。
一种这样的传统公知电动车辆是采用燃料电池作为dc电源的燃料电池车辆。通常，燃料电池车辆装备有用于将再生模式下由电机产生的能量进行回收的二次电池，并使用再生电力对二次电池充电，并使用燃料电池和二次电池一起对电机供应高压电。
更具体地，在这种燃料电池车辆中，电机通常由交流(ac)电机实现，而燃料电池和/或二次电池输出dc电力，该dc电力接着被转换为ac电力并供应到ac电机，并且当ac电机再生操作时，其产生ac电力，该ac电力接着被转换为对二次电池充电的dc电力，此外，燃料电池输出dc电力，该dc电力在电压上被转换到预定dc电压以对二次电池充电。于是，在燃料电池、二次电池和ac电机之间进行多种电压转换。
传统地，这种在多个dc电源和ac电机之间进行的电力转换通常由结合了进行dc-ac转换的逆变器和进行直流电之间的电压转换的变压器的电力转换装置来实现。
近年来，已经注意到将矩阵转换器作为新的电力转换装置。通常，公知的是这样一种转换器，其能够将交流电直接转换为交流电而无需暂时地将其转换为直流电。例如，公知的这样一种双向开关，其布置成三行三列的矩阵，并将从三相ac电源输出的规定的三相ac电压直接转换为任何电压和频率的三相ac电压。
在美国专利申请公开No.2001/0026427中公开的电系统中采用了这样的矩阵转换器，该公开描述了采用矩阵转换器的过电压保护装置。
发明内容
矩阵转换器不具有在传统电力转换装置中在转换器处设置的电容器、电抗器等。因此，该装置可以在尺寸上较小并还没有由电抗器产生的噪音。对于特别需要该装置小型化和安静的车辆而言，矩阵转换器可以理想地用作电力转换设备。
美国专利申请公开No.2001/0026427公开了一种矩阵转换器到电系统的应用。但是，此文公开的该矩阵转换器操作以在主系统输出三相ac电源和三相异步电机之间的交流电之间进行电力转换，并在如上所述的燃料电池车辆中不能在多个dc电源和ac电机之间转换电力。此外，此矩阵转换器既不能将多个电源一起使用来对ac电机供应ac电能，也不能当ac电机再生操作时选择可充电电源(或二次电池)并对其充电。
此外，当ac电机再生操作时，正常控制的再生需要ac电机处产生的电动电压低于用作电池的二次电池的电压，并存在对于这样的电力转换装置的需求，该电力转换装置采用矩阵转换器，该矩阵转换器在ac电机的最大电动电压高于二次电池的电压水平的情况下，即在二次电池的电压水平较低的情况下，不需要单独的转换器二能够根据需要与二次电池进行再生连通。
已经进行了本发明来解决这些确定，并构思了一种采用矩阵转换器在多个dc电源和多相ac电机之间转换电力的电力转换装置，其。
本发明还构思了装备有采用矩阵转换器在多个dc电源和多相ac电机之间转换电力的电力转换装置的车辆。
本电力转换装置包括：矩阵转换器，其连接到m个直流电源和n相交流电机，m和n均表示至少为2的自然数；和控制装置，其控制所述矩阵转换器的操作，其中所述矩阵转换器包括电力转换部分和连接部分，所述电力转换部分响应于从所述控制装置接收的控制信号操作以在所述m个直流电源与所述n相交流电机之间转换电力，所述连接部分响应于从所述控制装置接收的控制信号操作以将所述m个直流电源中的i个电源串联连接，i表示至少为2且至多为m的自然数，且所述电力转换部分接收从所述m个直流电源中的每个输出的直流电力与从由所述连接部分串联连接的所述i个直流电源输出的直流电力中的一个直流电力，以将所述直流电力转换为交流电力并将所述交流电力输出到所述n相交流电机，或者从所述n相交流电机接收交流电力，以将所述交流电力转换为直流电力并将所述直流电力输出到所述m个直流电源中的任一个。
优选地，所述电力转换部分响应于从所述控制装置接收的所述控制信号操作，以在所述m个直流电源之间进一步连通电力。
优选地，所述矩阵转换器还包括与所述m个直流电源相关联并分别连接到所述m个直流电源的m对正极和负极的2×m根第一电源线，以及分别连接到所述n相交流电机的所述n个输入/输出端子的n根第二电源线；且所述电力转换部分由分别设置在所述2×m根第一电源线和所述n根第二电源线之间的2×m×n个双向开关构成。
优选地，所述连接部分由第一开关组构成，所述第一开关组包括能够将所述2×m根第一电源线电互连的多个开关。
优选地，所述连接部分由第二开关组构成，所述第二开关组与去除了分别能够将连接到所述m个直流电源的m对第一电源线的每对短接的m个开关的所述第一开关组相对应。
优选地，所述连接部分由第三开关组构成，所述第三开关组与以随机方式去除了连接多个串联正向连接的直流电源的开关的所述第二开关组相对应。
优选地，所述连接部分由第四开关组构成，所述第四开关组与以随机方式去除了连接多个串联反向连接的直流电源的开关的所述第三开关组相对应。
优选地，所述连接部分由第四开关组构成，所述第四开关组与去除了串联反向连接多个直流电源的开关的所述第三开关组相对应。
优选地，当从所述n相交流电机接收交流电力的所述电力转换部分将所述交流电力转换为直流电力并将所述直流电力输出到所述m个直流电源中的任一个时，包括在所述连接部分中的任何开关均被断开。
优选地，所述电力转换部分以2×j×n个单向开关来代替分别设置在2×j根第一电源线与所述n根第二电源线之间的2×j×n个双向开关，所述2×j根第一电源线连接到不可从正极和负极充电的j个直流电源，j表示小于m的自然数。
优选地，所述m个直流电源包括燃料电池和二次电池；所述n相交流电机由三相交流旋转电机实现；所述电力转换部分包括设置在分别与所述燃料电池的正极和负极连接的一对第一电源线与分别连接到所述三相交流旋转电机的相线圈的三根第二电源线之间的六个单向开关，以及设置在与分别与所述第二电池的正极和负极连接的另一对第一电源线与所述三根第二电源线之间的六个双向开关；且所述连接部分由设置在所述一对第一电源线的连接到所述燃料电池的所述负极的一根第一电源线与所述另一对第一电源线中的连接到所述二次电池的所述正极的一根第一电源线之间，或设置在所述一对第一电源线中的连接到所述燃料电池的所述正极的另一根第一电源线与所述另一对第一电源线中的连接到所述二次电池的所述负极的另一根第一电源线之间的双向开关构成。
优选地，电力转换装置还包括m个电容器，所述m个电容器与所述m个直流电源相关联，且每个连接在一对第一电源线之间，所述一对第一电源线连接至所述直流电源中对应的一个直流电源。
优选地，当所述三相交流旋转电机在再生操作中将交流电力输出到所述电力转换部分且所述三相交流旋转电机提供至少等于所述二次电池的端子间电压的最大电动电压时，所述控制装置还控制所述矩阵转换器的操作以减弱所述三相交流旋转电机的磁场，并在所述磁场减弱之后，从所述n相交流旋转电机接收交流电力的所述电力转换部分将所述交流电力转换为直流电力，并将所述直流电力输出到所述m个直流电源中的任一个。
优选地，所述控制装置控制所述矩阵转换器的所述操作以减弱所述磁场，来将所述最大电动电压降低为低于所述端子间电压。
优选地，所述控制装置控制所述矩阵转换器的所述操作以产生d轴电流，用于减弱所述三相交流旋转电机的所述磁场。
优选地，所述控制装置将所述连接部分中的所述单向开关导通。
本车辆包括：m个直流电源，m表示至少为2的自然数；n相交流旋转电机，n表示至少为2的自然数；以及上述电力转换装置，所述电力转换装置设置在所述m个直流电源与所述n相交流旋转电机之间。
优选地，所述m个直流电源包括至少一个燃料电池和至少一个二次电池。
优选地，所述矩阵转换器根据供应到所述n相交流旋转电机的电力水平将所述m个直流电源中的i个直流电源串联连接，并接收由所述i个串联连接的直流电源产生的直流电力以将所述直流电力转换为n相交流电力，并将所述n相交流电力供应到所述n相交流旋转电机，i表示至多为m的自然数。
优选地，当所述n相交流旋转电机再生操作时，所述矩阵转换器从所述n相交流旋转电机接收n相交流电力，并将所述n相交流电力转换为直流电力以用其对所述至少一个二次电池充电。
优选地，当所述m个直流电源互相连通电力时，所述控制装置控制所述矩阵转换器的操作以产生对所述n相交流旋转电机提供为0的q轴电流的电压模式。
在本电力转换装置中，m根dc电源和n相ac电机具有连接到其的矩阵转换器，且矩阵转换器包括包括在m个直流电源与n相交流电机之间转换电力的电力转换部分和能将m个直流电源中的i个电源串联连接的连接部分，使得根据m个dc电源与n相电机之间的电力流动模式，通过连接部分在m个dc电源与n相ac电机之间动态地转换电路构造，并此外电力转换部分在m个dc电源与n相ac电机之间转换电力。
于是，根据本发明，可以在m个dc电源与n相ac电机之间实现多种电力连通，并可以产生在m个dc电源串联连接时的最大dc电压范围内的任意ac电压，且该ac电压可以供应到n相ac电机。此外，本电力转换装置可以省去传统电力转换装置所装备的电抗器、电容器等。本电力转换装置可以减小尺寸并且没有由电抗器引起的噪声，由此可以实现改善的安静度。
此外，在本电力转换装置中，根据由连接部分连接dc电源的状况，去除了不必要的开关。连接部分可以由与需要使用状况相对应的合适数量的开关构成。
于是，电力转换装置可以由与需要使用状况相对应的最小所需数量的开关行程。
此外，在本电力转换装置中，电力转换装置的连接到与不可充电dc电源相连接的第一电源线的开关是单向开关，于是可以避免功率元件在不期望方向上导通电流。
于是，可以实现具有不会浪费和不足的合适开关构造的电力转换装置。
此外，在本电力转换装置中，电容器设置在连接到dc电源的正极和负极的第一电源线之间。可以减小第一电源线的电压变化。
于是，本发明可以减小每个设备上由于开关操作引起的脉动的效果。
此外，在本电力转换装置中，当三相ac旋转电机在再生操作中将ac电压输出到电力转换部分，且三相ac旋转电机的最大电动电压至少等于或高于二次电池的端子间电压，则机械制动器用于减小三相ac旋转电机的旋转速率，并因此降低电动电压。
于是，不论二次电池的端子间电压如何，本发明都可以实现从三相ac旋转电机到二次电池的再生连通。
此外，在本电力转换装置中，在再生操作中，当三相ac旋转电机的最大电动电压等于或高于二次电池的端子间电压时，可以减弱三相ac旋转电机的磁场，并从而可以降低三相ac旋转电机的电动电压。
于是，无论二次电池的端子间电压如何，本发明都可以实现从三相ac旋转电机到二次电池的再生连通。
此外，在本电力转换装置中，在再生操作中，当三相ac旋转电机的最大电动电压等于或高于二次电池的端子间电压时，控制装置产生d轴电流异减弱三相ac旋转电机的磁场，并将连接部分中的单向开关转为导通，以提供升高的dc电压。
于是，本发明可以提供更高响应性的d轴电流控制，并结果提供了从三相ac旋转电机到二次电池的更高响应性的再生操作。
此外，本发明提供了包括一种车辆，包括m个dc电源，n相ac旋转电机和在m个dc电源与n相ac旋转电机之间转换电力的电力转换装置。因此，m个dc电源线和n相ac旋转电机可以根据电力流动模式而多样地连通电力。此外，省去了电抗器、电容器等，并可以实现特别为车辆所需要的减小的尺寸和改善的安静度。
此外，在本车辆中，当m个dc电源连通电力时，产生一种电压模式，以对n相ac旋转电机提供为0的q轴电流。在n相ac旋转电机中，不产生任何旋转转矩。
因此，可以提供充分考虑安全性的车辆。
附图说明
图1是示出了在其中安装有第一实施例的本电力转换装置的燃料电池车辆中的电力系统的主要部分的构造的电路图。
图2是如图1所示的双向开关的构造的电路图。
图3是示出图1的双向开关的另一种构造的电路图
图4是示出当燃料电池处于供电模式且电动发电机执行供电操作时设置的电力流动的框图。
图5是示出对于如图4所示的电力流动模式P1的电力流动的电路图。
图6是示出当燃料电池和电池处于供电模式且电动发电机执行供电操作时设置的电力流动的框图。
图7是示出对于如图6所示的电力流动模式P2的电力流动的电路图。
图8是示出当燃料电池处于供电模式，电动发电机执行供电操作，且电池处于再生模式时设置的电力流动的框图。
图9是示出对于如图8所示的电力流动模式P3的电力流动的电路图。
图10是示出当电动发电机再生操作且电池处于再生模式时设置的电力流动的框图。
图11是示出对于图10所示电力流动模式P4的电力流动的电路图。
图12是解释对于图10和11所示再生操作所施加的控制的流程图。
图13是示出当电池处于供电模式且电动发电机执行供电操作时设置的电力流动的框图。
图14是示出对于如图13所示的电力流动模式P5的电力流动的电路图。
图15是示出当燃料电池处于供电模式且电池处于再生模式时设置的电力流动的框图。
图16是示出对于如图15所示的电力流动模式P6的电力流动的电路图。
图17是解释对于第二实施例中的再生操作所施加的控制的流程图。
图18是解释对于示例性变化的第二实施例中的再生操作所施加的控制的流程图。
图19是示出第三实施例中的本电力转换装置的构造的电路图。
图20和21是示出第一和第二示例性变化的第三实施例的本电力转换装置的构造的电路图。
图22示出了当电池串联正向连接时所应用的连接的构造。
图23是示出第三示例性变化的第三实施例的本电力转换装置的构造的电路图。
图24示出了当电池串联反向连接时所应用的连接的构造。
图25是示出第四示例性变化的第三实施例的本电力转换装置的构造的电路图。
具体实施方式
此后，将参考附图更详细地说明本发明。在附图中，相同或相似部件被相同地标识。
第一实施例
参考附图，燃料电池车辆100包括电力转换部分10、连接部分20、控制装置30、燃料电池FC、电池BAT、以及电动发电机MG。
燃料电池FC是从由例如氢或类似燃料与氧化剂之间引起的化学反应产生的能量来获得电力的dc发电电池。燃料电池FC产生dc电力，该dc电力接着被供应到电力转换部分10。电池BAT例如是二次电池，该二次电池例如是镍氢电池或锂离子电池等。电池BAT将dc电力供应到电力转换部分10，并利用从电力转换部分10接收的dc电力充电。
电动发电机MG是三相ac同步电动发电机，并包括具有设置有多个永磁体的外周表面的转子(未示出)和缠绕有产生旋转磁场的三相线圈的定子(未示出)。电动发电机MG可以作为通过由永磁体产生的磁场和由三相线圈产生的磁场的相互作用而旋转驱动转子的电机来工作，也可以作为通过由永磁体产生的磁场和转子的旋转的相互作用而在三相线圈的相对端部产生电动势的发电机来工作。
电力转换部分10从燃料电池FC或电池BAT接收dc电力，将dc电力转换为ac电力，并将ac电力输出到电动发电机MG。而且，当将在下文说明的连接部分20将燃料电池FC和电池BAT串联连接，且串联连接的燃料电池FC和电池BAT输出高电压的dc电力时，电力转换部分10将dc电力转换为ac电力，并将ac电力输出到电动发电机MG。而且，电力转换部分10将由电动发电机MG产生的ac电力转换为dc电力并用其对电池BAT充电。
连接部分20响应于从控制装置30接收的控制信号操作以通过将连接到电池BAT正极的电源线LC和连接到燃料电池FC负极的电源线LB互连而将燃料电池FC和电池BAT串联连接。
控制装置30控制电力转换部分10和连接部分20以使得电动发电机MG根据从燃料电池FC和/或电池BAT供应的电力产生与电机转矩命令相应的转矩。
更具体地，当使用仅从燃料电池FC或电池BAT提供的dc电压来驱动电动发电机MG时，控制装置30对连接部分20输出控制信号以将电源线LC与电源线LB电断开，并对电力转换部分10输出脉冲宽度调制(PWM)信号以将燃料电池FC或电池BAT的dc电力转换为ac电力，并将ac电力输出到电动发电机MG。
此外，当燃料电池FC和电池BAT串联连接以驱动电动发电机MG时，控制装置30对连接部分20输出控制信号以将电源线LC和LB互连，并对电力转换部分10输出PWM信号以将通过连接部分20串联连接的燃料电池FC和电池BAT的dc电力转换为ac电力，并将该ac电力输出到电动发电机MG。
此外，控制装置30控制电力转换部分10和连接部分20以将由电动发电机MG产生的ac电力转换为dc电力来用该dc电力对电池BAT充电。更具体地，控制装置30对连接部分20输出控制信号以将电源线LC和LB电断开，并对电力转换部分10输出控制信号以将由电动发电机MG产生的ac电力整流为dc电力，并还将电动发电机MG处产生的电动电压Vmg升压转换到电池BAT的端子间电压Vbat。
注意，在上述再生操作中，正常控制的再生需要电动发电机MG处产生的电动电压Vmg具有比电池BAT的端子间电压Vbat小的最大值。因此，当电动电压Vmg具有等于或大于端子间电压Vbat的最大值时，控制装置30对电动发电机MG输出制动命令以通过机械制动来使得电动发电机MG制动，并当电动电压Vmg最大值减小为小于端子间电压Vbat时，控制装置30对电力转换部分10输出上述控制信号。
在燃料电池车辆100中，电力转换部分10将从燃料电池FC提供的dc电力转换为ac电力，并将该dc电力供应到电动发电机MG。而且，电力转换部分10还可以将从电池BAT提供的dc电力转换为ac电力，并将该ac电力供应到电动发电机MG。
此外，电力转换部分10可以从通过连接部分20串联连接的燃料电池FC和电池BAT接收dc电力，将该dc电压转换为ac电压，并将该ac电压供应到电动发电机MG。此外，电力转换部分10还可以接收由再生操作的电动发电机MG产生的ac电力，将该ac电压转换为dc电压，并将该dc电压供应到电池BAT。
电力转换部分10和连接部分20通过矩阵转换器构造。电力转换部分10包括开关SAa-SDa、SAb-SDb和SAc-SDc，以及电源线LA-LD、La-Lc。连接部分20包括开关SCd和电源线Ld。
电源线LA、LB分别在正极和负极连接到燃料电池FC。电源线LC、LD分别在正极和负极连接到电池BAT。电源线La-Lc分别连接到电动发电机MG的与中性点相对的U、V和W相线圈侧。此外，电源线Ld连接到电源线LB。
开关SAa、SBa、SAb、SBb、SAc、SBc、SCd分别由单向开关来实现。开关SAa、SAb、SAc分别连接在电源线LA和电源线La、Lb、Lc之间，并响应于从控制装置30接收的PWM信号而操作，以将来自电源线LA的电流分别传递到电源线La、Lb、Lc。开关SBa、SBb、SBc分别连接在电源线LB和电源线La、Lb、Lc之间，并响应于从控制装置30接收的PWM信号而操作，以将来自电源线La、Lb、Lc的电流分别传递到电源线LB。开关SCd连接在电源线LC和电源线Ld之间，并响应于从控制装置30接收的控制信号而操作，以将来自电源线LC的电流传递到电源线Ld。
开关SCa、SDa、SCb、SDb、SCc、SDc均是双向开关。开关SCa、SCb、SCc分别连接在电源线LC和电源线La、Lb、Lc之间，且开关SDa、SDb、SDc分别连接在电源线LD和电源线La、Lb、Lc之间。当电池BAT将电力供应到电动发电机MG时，开关SCa、SCb、SCc响应于从控制装置30接收的PWM信号而操作，以将来自电源线LC的电流分别传递到电源线La、Lb、Lc，且开关SDa、SDb、SDc响应于信号而操作，以将来自电源线La、Lb、Lc的电流分别传递到电源线LD。此外，当电动发电机MG对电池BAT供应电力时，开关SCa、SDa、SCb、SDb、SCc、SDc响应于从控制装置30接收的控制信号而操作，以整流从电源线La、Lb、Lc接收的电力并将其供应到电池BAT。
控制装置30接收电机转矩命令值、电动发电机MG的每相的电流值、以及从燃料电池FC和电池BAT输出的电压，并计算电动发电机MG的每相线圈的电压。由电流传感器(未示出)检测电动发电机MG的每相的电流值，并由电压传感器(未示出)检测从燃料电池FC和电池BAT输出的电压。
控制装置30由燃料电池车辆100的电力流动模式和所计算的电动发电机MG的每相的电压来驱动，以产生用于将来自燃料电池FC和/或电池BAT的所需电力供应到电动发电机MG的PWM信号，并将PWM信号输出到每个开关SAa-SDa、SAb-SDb和SAc-SDc。
此外，控制装置30由燃料电池车辆100的电力流动模式来驱动，以产生用于串联连接燃料电池FC和电池BAT的控制信号，并将所产生的控制信号输出到开关SCd。
此外，控制装置30检测电动发电机MG的每相的电压，以及燃料电池FC和电池BAT的端子间电压，并通过其被驱动以产生用于将来自电动发电机MG或燃料电池FC的电力供应到电池BAT的控制信号，并将所产生的控制信号输出到每个开关SAa-SDa、SAb-SDb和SAc-SDc。由电压传感器(未示出)检测电动发电机MG的每相的电压。
将在下文更详细说明燃料电池车辆100的功率通路模式以及控制装置30、电力转换部分10和连接部分20根据其的具体操作。
注意，上文中，电动发电机MG对应于“三相ac旋转电机”，电源线LA-LD对应于“第一电源线”，而电源线LA-LC对应于“第二电源线”。
图2是示出图1所示的双向开关的构造的电路图。
参考该图，双向开关构造了每个包括功率半导体元件52、54和二极管56、58的开关SCa、SDa、SCb、SDb、SCc、SDc。功率半导体元件52、54例如通过绝缘栅双极晶体管(IGBT)实现。
功率半导体元件52具有连接到端子60的集电极、连接到二极管56的正极的发射极、和从控制装置30(未示出)接收控制信号的基极。二极管56具有连接到功率半导体元件52的正极和连接到端子62的负极。
此外，功率半导体元件54具有连接到端子62的集电极、连接到二极管58的正极的发射极、和从控制装置30收控制信号的基极。二极管58具有连接到功率半导体元件54的正极和连接到端子60的负极。
功率半导体元件52和二极管56在这样的一个点处互连，该点连接到将功率半导体元件54和二极管58互连的点。端子60、62分别连接到两根对应的电源线。
当此开关从控制装置30接收有源控制信号时，功率半导体元件52可以导通以使电流经由功率半导体元件52和二极管56从端子60传递至62。此外，当此开关从控制装置30接收有源控制信号时，功率半导体元件54也可以导通以使电流经由功率半导体元件54和二极管58从端子62传递至60。
因此，当开关从控制装置30接收有源控制信号，且端子60在电压上高于端子62时，电流经由有源半导体元件52和二极管56从端子60流动至62。二极管58被反向偏压，且功率半导体元件54不具有在相反方向上流动经过的电流。当开关从控制装置30接收有源控制信号，且端子62在电压上高于端子60时，电流经由有源半导体元件54和二极管58从端子62流动至60。二极管56被反向偏压，且功率半导体元件52不具有在相反方向上流动经过的电流。
图3是示出如图1所示的双向开关的另一种构造的电路图。
参考该图，双向开关构造了每个包括由具有反向阻断功能的IGBT实现的功率半导体元件72、74的开关SCa、SDa、SCb、SDb、SCc、SDc。此IGBT具有能够承受以相反方向施加到该元件的电压的足够的介电强度。
功率半导体元件72具有分别连接到端子60和62的集电极和发射极，以及从控制装置30(未示出)接收控制信号的基极。功率半导体元件74具有分别连接到端子62和60的集电极和发射极，以及从控制装置30接收控制信号的基极。
当此开关从控制装置30接收有源控制信号时，功率半导体元件72和74两者都导通。结果，当该开关从控制装置30接收有源控制信号，且端子60在电压上高于端子62时，电流经由功率半导体元件72从端子60流动至62。虽然功率半导体元件74被反向偏压，但是功率半导体元件74由于其足够的介电强度而不会被损坏。此外，当开关从控制装置30接收有源控制信号，且端子62在电压上高于端子60时，电流经由功率半导体元件74从端子62流动至60。虽然功率半导体元件72被反向偏压，但是功率半导体元件72由于其足够的介电强度而不会被损坏。
注意，虽然未具体示出，但是单向开关SAa、SBa、SAb、SBb、SAc、SBc每个例如由IGBT或类似功率半导体元件来实现。
图4-18图示了根据图1的燃料电池车辆11的电力流动模式、以及电流的控制装置30、电力转换部分10和连接部分20的具体操作。对于燃料电池车辆100，存在如下六种电力流动模式P1-P6：
P1：燃料电池FC处于供电模式(或输出电力)，且电动发电机MG执行供电操作；
P2：燃料电池FC和电池BAT处于供电模式，且电动发电机MG执行供电操作；
P3：燃料电池FC处于供电模式，电动发电机MG执行供电操作，且电池BAT处于再生模式(或充电)；
P4：电动发电机MG再生操作，且电池BAT处于再生模式；
P5：电池BAT处于供电模式，且电动发电机MG执行供电操作；和
P6：燃料电池FC处于供电模式，且电池BAT处于再生模式。
图4是示出当燃料电池FC处于供电模式且电动发电机MG执行供电操作时提供的电力流动的框图。图5是示出用于如图4所示的电力流动模式P1所提供的电力流动的电路图。
参考图4和5，控制装置30接收电机转矩命令值、电动发电机MG的每相的电流值、和从燃料电池FC和电池BAT输出的电压，并计算电动发电机MG的每相线圈的电压。控制装置30由所计算的电动发电机MG的每相电压来驱动，以产生PWM信号并将PWM信号输出到开关SAa-SAc、SBa-SBc。
开关SAa-SAc、SBa-SBc响应于从控制装置30接收的PWM信号操作而导通/断开，以执行将从燃料电池FC输出的dc电压转换为ac电压的逆变操作。从燃料电池FC输出的dc电压从而被电力转换部分10转换为ac电压，并被输出到电动发电机MG。
注意，对于电力流动模式P1，其他开关SCa-SCc、SDa-SDc、SCd是常断开的。
图6是示出当燃料电池FC和电池BAT处于供电模式且电动发电机MG执行供电操作时提供的电力流动的框图，且图7是示出用于如图6所示的电力流动模式P2的电力流动的电路图。
参考图6和7，控制装置30向连接部分20输出控制信号以导通开关SCd，以为了高电压而将燃料电池FC和电池BAT串联连接。此外，控制装置30如对于电力流动模式P1所进行的来计算电动发电机MG的每相线圈的电压，并由所计算的电动发电机MG的每相的电压来驱动，以产生PWM信号，并将PWM信号输出到开关SAa-SAc、SDa-SDc。
开关SAa-SAc、SDa-SDc的每个响应于从控制装置30接收的PWM信号操作而导通/断开，以执行将从燃料电池FC和电池BAT输出的dc电压转换为ac电压的逆变操作。从燃料电池FC和电池BAT输出的dc电压从而被电力转换部分10转换为ac电压，并被输出到电动发电机MG。
注意，对于电力流动模式P2，其他开关SBa-SBc、SCa-SCc是常断开的。
图8是示出当燃料电池FC处于供电模式，电动发电机MG执行供电操作，且电池BAT处于再生模式时提供的电力流动的框图，且图9是示出用于如图8所示的电力流动模式P3的电力流动的电路图。
参考图8和9，控制装置30如对于电力流动模式P1所进行的来计算电动发电机MG的每相线圈的电压，并由所计算的电动发电机MG的每相的电压驱动，以产生PWM信号，并将PWM信号输出到开关SAa-SAc、SBa-SBc。
此外，控制装置30由所检测的燃料电池FC和电池BAT的端子间电压来驱动，以产生用于将来自燃料电池FC的电力供应到电池BAT的控制信号，并将所产生的控制信号输出到开关SCa-SCc、SDa-SDc。
每个开关SAa-SAc、SBa-SBc都响应于从控制装置30接收的PWM信号操作而导通/断开，以执行将从燃料电池FC输出的dc电压转换为ac电压的逆变操作。开关SCa-SCc、SDa-SDc的每个响应于从控制装置30接收的控制信号操作而导通/断开，以对电源线La-Lc上由开关SAa-SAc、SBa-SBc进行ac转换的驱动电流的一部分进行整流。从燃料电池FC输出的dc电力从而被电力转换部分10转换为ac电力，并被输出到电动发电机MG并同时用于对电池BAT充电。
注意，对于电力流动模式P3，开关SCd是常断开的。
图10是示出当电动发电机MG再生操作且电池BAT处于再生模式时提供的电力流动的框图，且图11是示出用于如图10所示的电力流动模式P4的电力流动的电路图。
参考图10和11，控制装置30由所检测的电动发电机MG的每相的电压和所检测的电池BAT端子间电压来驱动，以产生控制信号并将控制信号输出到开关SCa-SCc、SDa-SDc。
开关SCa-SCc、SDa-SDc的每个响应于从控制装置30接收的控制信号操作而导通/断开，以整流电源线La-Lc上从电动发电机MG输出的ac电力，并将其输出到电池BAT。于是，由电动发电机MG产生的电力对电池BAT充电。
注意，对于先前所述的，正常控制的再生需要电动发电机MG产生的电动电压Vmg具有小于电池BAT端子间电压Vbat的最大值。因此，当电动电压Vmg具有等于或大于端子间电压Vbat的最大值时，控制装置30对电动发电机MG输出制动命令以通过机械制动来使电动发电机MG制动，并当电动电压Vmg最大值减小为小于端子间电压Vbat时，控制装置30对再生进行控制。
注意，对于电力流动模式P4，开关SAa-SAc、SBa-SBc、SCd是常断开的。
图12是用于图10和11的再生操作的控制的流程图。
参考该图，对于图10和11的电力流动模式P4，控制装置30判断电动发电机MG电动电压Vmg是否具有等于或大于电池BAT端子间电压Vbat的最大电压最大值(Vmg)(步骤S10)。如果电压最大值(Vmg)小于电压Vbat，则控制装置30控制再生以将由电动发电机MG产生的ac电力转换为dc电力，并用其对电池BAT充电(步骤S40)。
如果在步骤S10，控制装置30判断电压最大值(Vmg)等于或大于电压Vbat，则控制装置30对电动发电机MG输出制动命令以减小电动发电机MG的转速。电动发电机MG接收该命令并响应地致动机械制动器以减小其转速(步骤S20)。
当电动发电机MG转速减小时，在电动发电机MG处产生的电动电压Vmg降低。控制装置30判断电动电压Vmg是否具有小于端子间电压Vbat的最大电压最大值(Vmg)(步骤S30)，并且如果是，则控制装置30对再生进行控制(步骤S40)。
如果电压最大值(Vmg)仍然等于或大于端子间电压Vbat，则需要进一步减小电动发电机MG转速，并控制控制装置30返回步骤S20。
图13是示出当电池BAT处于供电模式且电动发电机MG供电操作时提供的电力流动的框图，且图14是示出用于如图13所示的电力流动模式P5的电力流动的电路图。
参考图13和14，控制装置30如对于电力流动模式P1所进行的来计算电动发电机MG的每相线圈的电压，并由所计算的电动发电机MG的每相的电压来驱动，以产生PWM信号，并将PWM信号输出到开关SCa-SCc、SDa-SDc。
开关SCa-SCc、SDa-SDc的每个响应于从控制装置30接收的PWM信号操作而导通/断开，以执行将从电池BAT输出的dc电压转换为ac电压的逆变操作。从电池BAT输出的dc电力从而被电力转换部分10转换为ac电力，并被输出到电动发电机MG。
注意，对于电力流动模式P5，其他开关SAa-SAc、SBa-SBc、SCd是常断开的。更具体而言，对于电力流动模式P5，燃料电池FC的输出被停止，而由电池BAT的输出单独驱动电动发电机MG。通过电力流动模式P5进行的操作也称作“间歇操作”。
图15是示出当燃料电池FC处于供电模式且电池BAT处于再生模式时提供的电力流动的框图，且图16是示出用于如图15所示的电力流动模式P6的电力流动的电路图。
参考图15和16，控制装置30产生使开关SAa-SAc、SBa-SBc导通/断开的PWM信号，并将所产生的PWM信号输出到这些开关。更具体而言，控制装置30通过用于电动发电机MG的旋转位置传感器(未示出)检测电动发电机MG的转角θ，并产生PWM信号以产生对电动发电机MG提供为0的q轴电流的电压模式。因为电力流动模式P6提供为响应于电池BAT的减小的充电状态而强制并直接地由燃料电池FC对电池BAT充电，所以产生这样的PWM信号，并因此防止从燃料电池FC到电动发电机MG的电力流动。
此外，控制装置30对开关SCa-SCc、SDa-SDc输出控制信号，使得这些开关分别与开关SAa-SAc、SBa-SBc同步地切换。
开关SAa-SAc、SBa-SBc的每个响应于从控制装置30接收的控制信号操作而导通/断开，以执行将从燃料电池FC输出的dc电压转换为ac电压的逆变操作。开关SCa-SCc、SDaSDc的每个响应于从控制装置30接收的控制信号操作而分别与开关SAa-SAc、SBa-SBc同步地导通/断开，以整流由开关SAa-SAc、SBa-SBc进行ac转换的电流，并将整流后的电流输出到电池BAT。
这允许电池BAT被燃料电池FC直接充电而不引起从燃料电池FC到电动发电机MG的电力流动。
注意，对于电力流动模式P6，开关SCd是常断开的。
注意在图1中，燃料电池车辆100的电容器可以分别设置在电源线LA和LB之间以及电源线LC和LC之间，以使dc电源线的电压平滑。这可以减小每个设备上由于电力转换部分10中的开关操作引起的脉动。
此外，虽然在以上说明中，dc电源是燃料电池FC和电池BAT，但是其在类型和数量上不受限制，并且可以使用不同的公知dc电压，还可以设置三个或更多dc电源。
此外，虽然在以上说明中，ac电机是由三相ac同步电机得到的电动发电机MG，但是其不限于此，而可以是三相ac感应电动发电机、n相ac电机等。
此外，虽然在以上说明中，对于燃料电池车辆100存在六种电力流动模式，但是它们不限于此，并根据以上所述的电力转换装置可以构造多种电力流动模式。
于是，在第一实施例中，dc电源或燃料电池FC和电池BAT，以及ac电机或电动发电机MG具有连接到其的矩阵转换器，且该矩阵转换器包括在燃料电池FC、电池BAT和电动发电机MG之间转换电力的电力转换部分10，和将燃料电池FC和电池BAT串联连接的连接部分20，由此根据燃料电池车辆100的电力流动模式，通过连接部分20动态地转换燃料电池FC、电池BAT和电动发电机MG之间的电路构造，并此外还由电力转换部分10在燃料电池FC、电池BAT和电动发电机MG之间转换电力。
于是，根据上述每个电力流动模式，可以实现燃料电池FC、电池BAT和电动发电机MG之间的多种电力连通，并可以产生当燃料电池FC和电池BAT串联连接时的最大dc电压的范围内的任何ac电压，该ac电压可以供应到电动发电机MG。此外，本电力转换装置可以省去传统的电力转换装置所装备的电抗器、电容器等。燃料电池车辆100可以减小尺寸并且没有由电抗器引起的噪音，由此可以在安静度方面改善车辆。
此外，在第一实施例中，在再生操作中采用机械制动以减小电动发电机MG的转速来防止电动发电机MG的电动电压Vmg达到或超过电池BAT端子间电压Vbat，从而确保从电动发电机MG到电池BAT的再生连通。
此外，在第一实施例中，连接到与燃料电池燃料电池FC(其不能从电源线进行再生)相连接的电源线LA、LB的开关SAa-SAc、SBa-SBc是单向开关，而可以避免功率元件在不期望的方向上传递电流。可以实现不会过度也不会不足的合适开关结构所构造的电力转换装置。
此外，在第一实施例中，当应用电力流动模式P6以将电力从燃料电池FC供应到电池BAT时，产生的电压模式使得对于电动发电机MG的q轴电流是0。在电动发电机MG中，没有产生转矩，且可以提供充分考虑了安全性的燃料电池车辆100。
第二实施例
第二实施例与第一实施例不同之处在于为电动发电机MG执行再生操作的电力流动模式P4所进行的操作控制。
参考图1，第二实施例提供了燃料电池车辆100A，其对应于用控制设备30A代替控制装置30的第一实施例的燃料电池车辆100。注意，在燃料电池车辆100A中，控制装置30A不对电动发电机MG发出制动命令。燃料电池车辆100A的构造中的其他部分与燃料电池车辆100相同。
对于再生操作或电力流动模式P4，控制装置30A对连接部分20输出控制信号，以将电源线LC与电源线LB断开并对电力转换部分10输出控制信号来将由电动发电机MG产生的ac电力整流为dc电力，并还将电动发电机MG处产生的电动电压Vmg升压转换到电池BAT端子间电压。
注意，如前所述，在再生操作中正常控制的再生要求电动发电机MG处产生的电动电压Vmg具有小于电池BAT端子间电压Vbat的最大值。因此当电动电压Vmg具有等于或大于端子间电压Vbat的最大值时，控制装置30A采用从燃料电池FC输出的电流来控制电动发电机MG的磁场以使其减弱。
更具体而言，控制装置30A控制连接到与燃料电池FC相连接的电源线LA、LB的开关SAa-SAc、SBa-SBc，以切换为对电动发电机MG输出d轴电流，用于减弱电动发电机MG的磁场。当电动发电机MG的磁场减弱时，电动发电机MG处的电动电压Vmg降低，且控制装置30A控制连接到与电池BAT相连接的电源线LC、LD的开关SCa-SCc、SDa-SDc，以执行电动发电机MG的再生操作。
注意，对于除了电力流动模式P4之外的其他电力流动模式，控制装置30A提供与控制装置30相同的控制操作。
图17是第二实施例中对于再生操作所施加的控制的流程图。
参考该图，此流程对应于如图12所示的第一实施例中用步骤S25代替步骤S20的再生操作。
如果在步骤S10，控制装置30A判断电压最大值(Vmg)等于或大于电压Vbat，则控制装置30A控制开关SAa-SAc、SBa-SBc，以切换和采用燃料电池FC来减弱电动发电机MG的磁场(步骤S25)。当电动发电机MG磁场减弱时，电动发电机MG产生的电动电压Vmg降低，且控制装置30A进行到步骤S30。
示例性变化的第二实施例
在再生操作的第二实施例中，采用燃料电池FC作为dc电源，并采用d轴电流来控制磁场以将其减弱。在采用d轴电流来控制磁场以将其减弱的情况下的示例性变化的第二实施例中，连接部分20将燃料电池FC和电池BAT串联连接以在d轴电流控制下实现高电压的电源。这允许d轴电流控制，即，控制磁场以将其减弱，以实现高度响应性。
图18是示例性变化的第二实施例中对于再生操作所施加的控制的流程图。
参考该图，此流程对应于如图17所示的第二实施例中加上步骤S15和S35的再生操作。
如果在步骤S10，控制装置30A判断电压最大值(Vmg)等于或大于电压Vbat，则控制装置30A使连接部分20的开关SCd导通(步骤S15)。当开关SCd导通且燃料电池FC和电池BAT串联连接时，控制装置30A控制开关SAa-SAc、SDa-SDc，以切换和采用燃料电池FC和电池来控制并从而减弱电动发电机MG的磁场(步骤S25)。
此外，如果在步骤S30，控制装置30A判断电压最大值(Vmg)小于端子间电压Vbat，则控制装置30A使连接部分20的开关SCd导通(步骤S35)，并控制开关SCa-SCc、SDa-SDc以切换为对电动发电机MG的再生进行控制(步骤S40)。
于是，在第二实施例及其示例性变化方案中，在再生操作中电动发电机MG的磁场被控制以减弱，来防止电动发电机MG的电动电压Vmg达到或超过电池BAT端子间电压Vbat，并从而确保从电动发电机MG到电池BAT的再生连通。
此外，在第二实施例的示例性变化方案中，在再生操作中当磁场被控制以减弱时，连接部分20将开关SCd导通以在d轴电流控制下提供高电压的dc电源。d轴电流控制可以在响应性上得到增强，并因此再生操作可以具有更高的响应性。
第三实施例
第一和第二实施例提供了具有由两个dc电源(即，燃料电池FC和电池BAT)实现的dc电源的电力转换装置，且燃料电池FC未设置有从电源线再生(或充电)的功能。第三实施例提供了更一般化的电力转换装置。
图19是示出第三实施例中本电力转换装置的布置的电路图。虽然图19代表性地示出了在三个可充电并可放电的dc电源和三相ac电机之间转换电力的电力转换装置，但是第三实施例提供了不限于此的更一般化的电力转换装置，并能够容易地延及在m个可充电并可放电的dc电源和n相ac电机之间转换电力的电力转换装置，其中m和n是等于或大于2的自然数。
参考图19，电力转换装置200包括电力转换部分15、连接部分25和控制装置35。电力转换部分15连接到电池BAT1-BAT3和三相ac电机45。
电池BAT1-BAT3是可充电并可放电的二次电池，而且对电力转换部分15供应dc电力，以及用从电力转换部分15接收的dc电力充电。三相ac电机45从电力转换部分15接收电力以执行供电操作，以及再生操作以再生并将能量供应到电力转换部分15。
电力转换部分15在BAT1-BAT3和三相ac电机45之间对电力进行转换和连通。此外，当将在下文说明的连接部分25串联连接电池BAT1-BAT3中任意两个或全部时，电力转换部分15将从串联连接的电池输出的高电压的dc电力转换为ac电力，并将ac电力输出到三相ac电机45。
连接部分25通过响应于从控制装置35接收的控制信号操作以将电源线LA-LF有选择地连接到电池BAT1-BAT3的正极和负极，来将电池BAT1-BAT3中的任意两个或全部串联连接。
控制装置35根据电力转换模式操作以控制电力转换部分15，来允许电池BAT1-BAT3和三相ac电机45之间所期望的电力转换。此外，控制装置35根据电力转换模式操作以控制连接部分25，来将BAT1-BAT3中的任意两个或全部串联连接。
电力转换部分15和连接部分25由矩阵转换器构成。电力转换部分15包括开关SAa-SFa、SAb-SFb、SAc-SFc和电源线LA-LF、La-Lc。连接部分25包括开关SBd-SFd、SCe-SFe、SDf-SFf、SEg、SFg、SFh和电源线Ld-Lh。
电源线LA、LB分别在正极和负极连接到电池BAT1。电源线LC、LD分别在正极和负极连接到电池BAT2。电源线LE、LF分别在正极和负极连接到电池BAT3。电源线La-Lc分别在相端子处连接到三相ac电机45，且电源线Ld-Lh分别连接到电源线LA-LF。
注意，在以上说明中，电源线LA-LF对应于“第一电源线”，电源线LA-LC对应于“第二电源线”。
电力转换部分15和连接部分25每个具有如图2或3所示的双向开关构成的开关，并可响应于从控制装置35接收的控制信号操作以传递具有方向的电流，其方向取决于每个都具有连接到其的开关的两根电源线之间的电势差。
如图19所示的连接部分25具有最通用的电路构造之一。更具体而言，连接部分25具有布置为下三角矩阵的开关的电路构造。这种布置允许电池BAT1-BAT3以任何顺序和方向连接。
如果使用m个dc电源，且连接部分25具有布置在上述下三角矩阵中的开关，则要求开关的数量N1如以下等式所示：
N 1 = Σ k = 1 2 m - 1 k = ( 2 m - 1 ) m . . . ( 1 )
第一示例性变化的第三实施例
图20是示出第一示例性变化的第三实施例的本电力转换装置的布置的电路图。
参考该附图，电力转换装置200A对应于用连接部分25A代替连接部分25的图19的电力转换装置200，连接部分25A对应于去除开关SBd、SDf、SFh和电源线Lh的连接部分25。
更具体而言，虽然连接部分25A用于通过选择并电连接电源线LA-LF来将电池BAT1-BAT3串联连接，但是在电源线之间不存在如将每个电池BAT1-BAT3的正极和负极短接的这种形式的连接，并因此连接部分25从其省去了用于连接电源线LA和LB的开关SBd、用于连接电源线LC和LD的开关SDf、以及用于连接电源线LE和LF的开关SFh。
如果采用m个dc电源并且电力转换装置200A是一般化的，则连接部分25A具有如以下等式所示的开关的数量N2：
N2＝N1-m＝2(m-1)m                ...(2)
第二示例性变化的第三实施例
图21是示出第二示例性变化的第三实施例的本电力转换装置的布置的电路图。
参考该附图，电力转换装置200B对应于用连接部分25B代替连接部分25的图19的电力转换装置200，连接部分25B对应于去除开关SCe、SEe、SEg的连接部分25。
更具体而言，如图22所示，当从三相ac电机45相对应于输出侧观察，电池串联正向连接时，改变连接的顺序仍然被认为提供了类似的电源布置，并在连接部分25A布置中，连接电源线LA和LD的开关SDd以及连接电源线LB和LC的开关SCe对于电池BAT1和BAT2之间的连接关系而言是冗余的，并因此省去了一个开关SCe。类似地，对于电池BAT1和BAT3之间的连接而言是冗余的开关SFd、SEe以及对于电池BAT2和BAT3之间的连接而言是冗余的开关SFf、SEg分别将其一个开关SEe和SEg省去。
注意，虽然在以上说明中，在冗余开关中省去了开关SCe、SEe、SEg，但是可以省去其他开关SDd、SFd、SFf。
这里，如果采用m个dc电源并且电力转换装置200B是一般化的，则连接部分25B具有如以下等式所示的开关的数量N3：
N 3 = Σ k = 1 m - 1 k × 3 = 3 2 ( m - 1 ) m . . . ( 3 )
第三示例性变化的第三实施例
图23是示出第三示例性变化的第三实施例的本电力转换装置的布置的电路图。
参考该附图，电力转换装置200C对应于用连接部分25C代替连接部分25的图19的电力转换装置200，连接部分25C对应于去除开关SDe、SEe、SFg和电源线Le、Lg的图21的连接部分25B。
更具体而言，如图24所示，当从三相ac电机45相对应于输出侧观察，电池串联反向连接时，改变连接的顺序仍然被认为提供了类似的电源布置，并在连接部分25B布置中，连接电源线LA和LD的开关SCd以及连接电源线LB和LD的开关SDe对于电池BAT1和BAT2之间的连接关系而言是冗余的，并因此省去了一个开关SDe。类似地，对于电池BAT1和BAT3之间的连接而言是冗余的开关SEd、SFe以及对于电池BAT2和BAT3之间的连接而言是冗余的开关SEf、SFg分别将其一个开关SFe和SFg省去。
注意，虽然在以上说明中，在冗余开关中省去了开关SDe、SFe、SFg，但是可以省去其他开关SCd、SFd、SEf。但是，应该注意，在此情况下，电源线Le、Lg不能省去。因此，考虑到装置的最小化，优选地省去开关SDe、SFe、SFg。
这里，如果采用m个dc电源并且电力转换装置200C是一般化的，则连接部分25C具有如以下等式所示的开关的数量N4：
N 4 = Σ k = 1 m - 1 k × 2 = ( m - 1 ) m . . . ( 4 )
第四示例性变化的第三实施例
图25是示出第四示例性变化的第三实施例的本电力转换装置的布置的电路图。
参考该附图，电力转换装置200D对应于用连接部分25D代替连接部分25的图19的电力转换装置200，连接部分25D对应于去除开关SCd、SEd、SEf的图23的连接部分25C。
更具体而言，第三实施例及其第一至第三示例性变化方案分别容许连接部分25-25C中电池的反向连接。第四示例性变化的第三实施例通过设置了具有反向连接电池而强制直接地用一个电池对另一个电池充电的功能，并具有使得连接部分25用作正向连接多个电池以产生高电压的dc电力的功能的电力转换部分15，还省去了反向连接电池BAT1-BAT3的开关SCd、SEd、SEf。
注意，如果第三实施例的第四示例性变化方案采用两个dc电源，则电力转换装置200D具有与第一实施例的电力转换装置相对应的构造。
这里，如果采用m个dc电源并且电力转换装置200D是一般化的，则连接部分25D具有如以下等式所示的开关的数量N5：
N 5 = Σ k = 1 m - 1 k = 1 2 ( m - 1 ) m . . . ( 5 )
注意，电力转换装置200和200A-200D可以设置有分别在电源线LA和LB之间、电源线LC和LD之间以及在电源线LE和LF之间的电容器，以使得dc电源线的电压平滑。这可以减少每个设备上由于电力转换部分15中的切换引起的脉动的效应。
因此，在第三实施例的dc电源中，电池BAT1-BAT3和三相ac电机45具有连接到其的矩阵转换器，且矩阵转换器包括在电池BAT1-BAT3和三相ac电机45之间转换电力的电力转换部分15，以及能够串联连接电池BAT1-BAT3的连接部分25。这允许连接部分25根据电力转换装置200中电力转换部分来动态地转换电池BAT1-BAT3和三相ac电机45的电路构造，并还允许电力转换部分15在电池BAT1-BAT3和三相ac电机45之间进行电力转换。
于是，可以在电池BAT1-BAT3和三相ac电机45之间实现多种电力连通，并可以产生当燃料电池BAT1-BAT3串联连接时提供的最大dc电压的范围内的任何ac电压，该ac电压可以供应到三相ac电机45。此外，本电力转换装置可以省去传统的电力转换装置所装备的电抗器、电容器等。电力转换装置200可以减小尺寸并且没有由电抗器引起的噪音，由此可以在安静度上改善电力转换装置200。
此外，在第三实施例的第一至第四示例性变化方案中，连接部分25A-25D根据用于连接电池BAT1-BAT3的状况去除了不必要的开关。连接部分可以由与需要使用状况相对应的合适数量的开关，且电力转换装置可以由与需要使用状况相对应的最小所需数量的开关形成。
虽然已经详细说明并解释了本发明，但是应该清楚理解的是，这仅是解释和示例的方式，而未采取限制的方式，本发明的精神和范围仅由所附权利要求的项限制。

Claims (23)

1.一种电力转换装置，包括：
矩阵转换器(10，20；15，25，25A-25D)，其连接到m个直流电源(FC、BAT；BAT1-BAT3)和n相交流电机(MG；45)，m和n均表示至少为2的自然数；和
控制装置(30、30A；35)，其控制所述矩阵转换器(10，20；15，25，25A-25D)的操作，其中
所述矩阵转换器(10，20；15，25，25A-25D)包括电力转换部分(10；15)和连接部分(20；25，25A-25D)，所述电力转换部分(10；15)响应于从所述控制装置(30、30A；35)接收的控制信号操作以在所述m个直流电源(FC、BAT；BAT1-BAT3)与所述n相交流电机(MG；45)之间转换电力，所述连接部分(20；25，25A-25D)响应于从所述控制装置(30、30A；35)接收的控制信号操作以将所述m个直流电源(FC、BAT；BAT1-BAT3)中的i个电源串联连接，i表示至少为2且至多为m的自然数；
所述电力转换部分(10；15)接收从所述m个直流电源(FC、BAT；BAT1-BAT3)中的每个输出的直流电力与从由所述连接部分(20；25，25A-25D)串联连接的所述i个直流电源输出的直流电力中的一个直流电力，以将所述一个直流电力转换为交流电力并将所述交流电力输出到所述n相交流电机(MG；45)，或者从所述n相交流电机(MG；45)接收交流电力，以将所述交流电力转换为直流电力并将所述直流电力输出到所述m个直流电源(FC、BAT；BAT1-BAT3)中的任一个；且
所述矩阵转换器(10，20；15，25，25A-25D)还包括与所述m个直流电源(FC、BAT；BAT1-BAT3)相关联并分别连接到所述m个直流电源(FC、BAT；BAT1-BAT3)的m对正极和负极的2×m根第一电源线(LA-LF)，以及分别连接到所述n相交流电机(MG；45)的n个输入/输出端子的n根第二电源线(La-Lc)；
所述电力转换部分(10；15)由分别设置在所述2×m根第一电源线和所述n根第二电源线之间的2×m×n个双向开关(SAa、SDc；SAa-SFc)构成。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中所述电力转换部分(10；15)响应于从所述控制装置(30、30A；45)接收的所述控制信号操作，以在所述m个直流电源(FC、BAT；BAT1-BAT3)之间进一步连通电力。
3.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中所述连接部分(25)由第一开关组构成，所述第一开关组包括能够将所述2×m根第一电源线(LA-LF)电互连的多个开关。
4.根据权利要求3所述的电力转换装置，其中所述连接部分(25A)由与去除了分别能够将连接到所述m个直流电源(BAT1-BAT3)的m对第一电源线的每对短接的m个开关的所述第一开关组相对应的第二开关组构成。
5.根据权利要求4所述的电力转换装置，其中所述连接部分(25B)由与以随机方式去除了连接多个串联正向连接的直流电源的开关的所述第二开关组相对应的第三开关组构成。
6.根据权利要求5所述的电力转换装置，其中所述连接部分(25C)由与以随机方式去除了连接多个串联反向连接的直流电源的开关的所述第三开关组相对应的第四开关组构成。
7.根据权利要求5所述的电力转换装置，其中所述连接部分(25D)由与去除了串联反向连接多个直流电源的开关的所述第三开关组相对应的第四开关组构成。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的电力转换装置，其中当从所述n相交流电机(45)接收交流电力的所述电力转换部分(15)将所述交流电力转换为直流电力并将所述直流电力输出到所述m个直流电源(BAT1-BAT3)中的任一个时，包括在所述连接部分(25、25A-25D)中的任何开关均被断开。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的电力转换装置，其中所述电力转换部分(10)以2×j×n个单向开关(SAa-SBc)来代替分别设置在2×j根第一电源线与所述n根第二电源线之间的2×j×n个双向开关，所述2×j根第一电源线连接到不可从正极和负极充电的j个直流电源(FC)，j表示小于m的自然数。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的电力转换装置，还包括m个电容器，所述m个电容器与所述m个直流电源(FC、BAT；BAT1-BAT3)相关联，且每个连接在一对第一电源线之间，所述一对第一电源线连接至所述直流电源中对应的一个直流电源。
11.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中：
所述m个直流电源(FC、BAT)包括燃料电池(FC)和二次电池(BAT)；
所述n相交流电机(MG)由三相交流旋转电机(MG)实现；
所述电力转换部分(10)包括设置在分别与所述燃料电池(FC)的正极和负极连接的一对第一电源线(LA、LB)与分别连接到所述三相交流旋转电机(MG)的相线圈的三根第二电源线(La-Lc)之间的六个单向开关(SAa-SBc)，以及设置在与分别与所述二次电池(BAT)的正极和负极连接的另一对第一电源线(LC、LD)与所述三根第二电源线(La-Lc)之间的六个双向开关(SCa-SDc)；且
所述连接部分(20)由设置在所述一对第一电源线(LA、LB)中的连接到所述燃料电池(FC)的所述负极的一根第一电源线与所述另一对第一电源线(LC、LD)中的连接到所述二次电池(BAT)的所述正极的一根第一电源线之间，或设置在所述一对第一电源线(LA、LB)中的连接到所述燃料电池(FC)的所述正极的另一根第一电源线与所述另一对第一电源线(LC、LD)中的连接到所述二次电池(BAT)的所述负极的另一根第一电源线之间的单向开关(SCd)构成。
12.根据权利要求11所述的电力转换装置，还包括m个电容器，所述m个电容器与所述m个直流电源(FC、BAT；BAT1-BAT3)相关联，且每个连接在一对第一电源线之间，所述一对第一电源线连接至所述直流电源中对应的一个直流电源。
13.根据权利要求11所述的电力转换装置，其中当所述三相交流旋转电机(MG)在再生操作中将交流电力输出到所述电力转换部分(10)且所述三相交流旋转电机(MG)提供至少等于所述二次电池(BAT)的端子间电压的最大电动电压时，所述控制装置(30、30A)将控制命令输出到所述三相交流旋转电机(MG)以减小其转速，所述三相交流旋转电机(MG)响应于所述控制命令操作机械制动器以减小所述转速，并在所述转速减小之后，从所述n相交流电机(MG)接收交流电力的所述电力转换部分(10)将所述交流电力转换为直流电力，并将所述直流电力输出到所述m个直流电源中的任一个。
14.根据权利要求13所述的电力转换装置，其中所述控制装置(30、30A)减小所述三相交流旋转电机(MG)的所述转速以将所述最大电动电压降低为低于所述端子间电压。
15.根据权利要求11所述的电力转换装置，其中当所述三相交流旋转电机(MG)在再生操作中将交流电力输出到所述电力转换部分(10)且所述三相交流旋转电机(MG)提供至少等于所述二次电池(BAT)的端子间电压的最大电动电压时，所述控制装置(30、30A)还控制所述矩阵转换器(10、20)的操作以减弱所述三相交流旋转电机(MG)的磁场，并在所述磁场减弱之后，从所述n相交流电机(MG)接收交流电力的所述电力转换部分(10)将所述交流电力转换为直流电力，并将所述直流电力输出到所述m个直流电源中的任一个。
16.根据权利要求15所述的电力转换装置，其中所述控制装置(30、30A)控制所述矩阵转换器(10、20)的所述操作以减弱所述磁场，来将所述最大电动电压降低为低于所述端子间电压。
17.根据权利要求15所述的电力转换装置，其中所述控制装置(30、30A)控制所述矩阵转换器(10、20)的所述操作以产生d轴电流，用于减弱所述三相交流旋转电机(MG)的所述磁场。
18.根据权利要求17所述的电力转换装置，其中所述控制装置(30、30A)将所述连接部分(20)中的所述单向开关(SCd)导通。
19.一种车辆，包括：
m个直流电源(FC、BAT；BAT1-BAT3)，m表示至少为2的自然数；
n相交流旋转电机(MG；45)，n表示至少为2的自然数；以及
根据权利要求1至7和11至18中任一项所述的电力转换装置，所述电力转换装置设置在所述m个直流电源(FC、BAT；BAT1-BAT3)与所述n相交流旋转电机(MG；45)之间。
20.根据权利要求19所述的车辆，其中所述m个直流电源(FC、BAT；BAT1-BAT3)包括至少一个燃料电池(FC)和至少一个二次电池(BAT)。
21.根据权利要求20所述的车辆，其中当所述n相交流旋转电机(MG；45)再生操作时，所述矩阵转换器(10、20；15，25、25A-25D)从所述n相交流旋转电机(MG；45)接收n相交流电力，并将所述n相交流电力转换为直流电力以用其对所述至少一个二次电池(BAT)充电。
22.根据权利要求19所述的车辆，其中所述矩阵转换器(10、20；15、25、25A-25D)根据供应到所述n相交流旋转电机(MG；45)的电力水平将所述m个直流电源(FC、BAT；BAT1-BAT3)中的i个直流电源串联连接，并接收由所述i个串联连接的直流电源产生的直流电力以将所述直流电力转换为n相交流电力，并将所述n相交流电力供应到所述n相交流旋转电机(MG；45)，i表示至多为m的自然数。
23.根据权利要求19所述的车辆，其中当所述m个直流电源(FC、BAT；BAT1-BAT3)互相连通电力时，所述控制装置(30、30A；35)控制所述矩阵转换器(10、20；15、25、25A-25D)的操作以产生对所述n相交流旋转电机(MG；45)提供为0的q轴电流的电压模式。
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