JP2000253503A - 電気自動車のエネルギ回生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】回生電気エネルギを回収する大容量のコンデン
サに充電コンバータ回路を組み合わせ、回生電気エネル
ギを電源側に回収する電気自動車のエネルギ回生装置を
提供する。 【解決手段】 充放電可能な二次電池に備えられた電気
エネルギで電動機を駆動源して走行する一方、走行時の
機械エネルギを電気エネルギとして前記二次電池に回収
するエネルギ回生装置を備えた電気自動車において、エ
ネルギ回生装置に電気二重層コンデンサ等の大容量のコ
ンデンサと電気エネルギ回生用のDC/DCコンバータとに
よる回生充電コンバータ回路を備えている電気自動車の
エネルギ回生装置であり、電気自動車がブレーキ操作に
よって減速されるとき、減速時に機械エネルギから瞬時
にかつ多量に回生される電気エネルギを一旦、大容量の
コンデンサに回収し、その後にこの電力を回生充電コン
バータ回路で二次電池に蓄えるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電気自動車のエ
ネルギ回生装置に係り、特に電気自動車の駆動エネルギ
源となる二次電池と大容量のコンデンサとを組み合わせ
て最適なエネルギ回生回路を構成したエネルギ回生装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電動機を駆動源とする電気自動車や電動
機と内燃機関とを組合わせたハイブリッドカー（以下こ
れらをまとめて電気自動車という）においては、その走
行中の機械エネルギを電気エネルギとして回生する構造
の実用化がかなり進んでいる。

【０００３】電気自動車は一般に車輪を駆動する電動機
と、この電動機に電力を供給する二次電池を備えた電源
装置とを有しており、運転者の要求に従って自動車を起
動したり加速するときは、電源装置から電動機に電力を
供給し、電動機の回転力を車輪に伝えて走行や加速をし
ている。一方、運転者が、ブレーキを踏んで減速をする
ときは、走行している電気自動車の機械エネルギを電気
エネルギとして回生し、得られた電力を電源装置の二次
電池に回収するようにしている。

【０００４】このような最近の電気自動車の電源装置に
は、鉛電池、ニッケルカドミュウム電池、ニッケル水素
電池等の二次電池ばかりでなく、例えば、電気二重層コ
ンデンサ等の大容量のコンデンサ(以下単に電気二重層
コンデンサという)を電気自動車の駆動電源回路の直流
部分に接続してエネルギの回収をするものや電源回路の
二次電池に並列に電気二重層コンデンサを接続したもの
などがある。

【０００５】これは、電気二重層コンデンサが著しく大
きな蓄電容量を有しているという特性を生かして、電気
自動車の加速性能を向上させたり、電動機からの回生エ
ネルギを効率的に蓄積することを意図したものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電気自動車の電源装置に使用されている二次電池は、充
電に時間がかかり、短時間での電力の回収に限度がある
上に、回生した電気エネルギの電圧が低い時は、そのま
までは二次電池には回収できず、電圧が高い時は電池を
損傷してしまうおそれがあるので、自動車の減速時に電
気エネルギを回生しても、全ての電力を連続して回収す
ることはできない。

【０００７】また、この対応策として、回生した電気エ
ネルギの電圧をコンバータで制御して二次電池に回収す
ることも行なわれているが、自動車が減速するときの膨
大な機械エネルギを瞬時に回収する良い装置はなく、大
半の電気エネルギは回収されることができないものであ
った。そのために、電気自動車の減速用のブレーキに電
気エネルギを回生して作動させる回生ブレーキを用いて
も、実質的には、機械ブレーキが主、回生ブレーキは補
助的となり、電気自動車の減速時には大半の機械エネル
ギが熱エネルギとして捨てられていた。

【０００８】また、電気二重層コンデンサを用いた従来
の電源装置においては、接続された電気二重層コンデン
サの容量一杯に電荷が蓄まってしまうと、コンデンサに
はそれ以上に回生エネルギを蓄えることができなくな
り、このようなときは、電気自動車の機械エネルギの殆
どは、ブレーキやエンジンにおいて熱エネルギとして放
散されてしまうものであった。

【０００９】更に、電源回路を介して、電気二重層コン
デンサの電力を電動機の駆動電力として直接に使う回路
構成の電源装置においては、充電量によって電気二重層
コンデンサの電圧が大きく変化するために電気二重層コ
ンデンサの電圧が二次電池側の電圧になるまでしか電力
を使うことができず、例え電気二重層コンデンサに電荷
が残っていても、これを電気自動車の駆動用の電力とし
ては使えないものであった。

【００１０】更にまた、電気二重層コンデンサに回収さ
れた電力は、充電量によって出力端の電圧が大きく変動
するので、そのままでは電源装置の二次電池に回収した
り、電気二重層コンデンサに蓄えられた電力を電動機に
直接に供給する装置としては使い難く、実用化には改良
点が多いものであった。

【００１１】この発明は、上述した従来技術の問題点を
解決するものであり、その目的は、回生された電気エネ
ルギを一旦回収する電気二重層コンデンサの電圧が高い
時でも低い時でも、連続して回生電気エネルギを回収で
き、かつ、これを電源装置の二次電池に蓄えて有効に再
使用することができる電気エネルギの回生装置を提供す
るものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１の電
気自動車のエネルギ回生装置では、充放電可能な二次電
池を備え、この二次電池に貯えられた電気エネルギによ
って回転する電動機を駆動源として走行する一方、走行
時の機械エネルギを電気エネルギとして前記二次電池に
回収するエネルギ回生装置を備えた電気自動車におい
て、前記エネルギ回生装置は、電気二重層コンデンサ等
の大容量のコンデンサと電気エネルギ回生用のDC/DCコ
ンバータとによる専用の回生充電コンバータ回路を備え
ていることを特徴としている。

【００１３】また、請求項２の発明では、請求項１の発
明において、電気エネルギ回生用のDC/DCコンバータ
は、電気二重層コンデンサの電力を二次電池の充電に適
した電圧と電流に変換して二次電池に供給する機能を備
えた装置であること、さらに、請求項３の発明では、充
放電可能な二次電池を備え、この二次電池に貯えられた
電気エネルギによって回転する電動機を駆動源として走
行する一方、減速走行時には、機械エネルギを電気エネ
ルギとして前記二次電池に回収するエネルギ回生装置を
備えた電気自動車において、前記エネルギ回生装置は、
電気二重層コンデンサ等の大容量のコンデンサと電気エ
ネルギ回生用のDC/DCコンバータとによる専用の回生充
電コンバータ回路と、電気エネルギ回収の制御装置とを
備え、この制御装置は、電動機による駆動走行時には前
記二次電池の電力を電動機側に供給し、かつ、減速走行
時には前記電動機側から回生充電コンバータ回路側へ電
流を切替える制御機構及び一時的に電気二重層コンデン
サに蓄えられた回生電力を二次電池へ供給して電気二重
層コンデンサの充電容量を十分に大きく維持する充電機
構を備えていることを特徴としている。

【００１４】請求項１の発明では、電動機により駆動さ
れていた電気自動車が、ブレーキ操作によって減速され
るとき、電動機が発電機として機能し、電気自動車の減
速時の機械エネルギを電気エネルギとして回生させ、電
源装置の二次電池に回収するものにおいて、発電機とな
る電動機側と電源装置との間に専用の回生充電コンバー
タ回路を用い、このエネルギ回生充電コンバータ回路で
は、回生された電気エネルギを、一旦、大容量のコンデ
ンサに回収し、同時に電気エネルギ回生用ＤＣ/ＤＣコ
ンバータを働かせて、二次電池に電気エネルギを回収す
るものである。

【００１５】また、請求項２の発明は、二次電池に電力
を回収する回生用ＤＣ/ＤＣコンバータが、電気二重層
コンデンサの電力を二次電池の充電に適した電圧と電流
に変換して電源装置に供給する機能を備えている以外は
請求項１の発明の場合と同じであるが、この請求項２の
発明は、電気二重層コンデンサに蓄えられた電流の電圧
が大きく変動しても電気二重層コンデンサに蓄えられて
いる電荷のすべてを、例えば、電気二重層コンデンサを
充電電荷の電圧が低くなったときは、これを昇圧し、高
電圧のときは降圧する等、二次電池の充電に適した電流
と電圧に変換をして、二次電池に回収するのに適してい
る。

【００１６】更にまた、請求項３の発明は、電気自動車
の発進や加速走行時には、電源装置から電動機側へ電力
を供給する一方、減速時には、電気自動車の機械エネル
ギを電気エネルギとして回生するように、充電制御装置
によって電動機側への電力供給回路のインバータを電動
機側から回生充電コンバータ回路へ切替え、かつ、回生
充電コンバータ回路の電気二重層コンデンサに蓄えられ
た電力が電源装置の二次電池に回収されて電気二重層コ
ンデンサの電力回収の充電容量を常に最大の充電容量と
なるようにエネルギ回生装置全体を制御するものであ
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。 図１はこの発明に係る電気自動
車のエネルギ回生装置のシステム構成図である。図１に
おいて、１は発電機を兼ねた電動機、２は電動機１へ交
流電力を供給するインバータ、３は鉛電池、ニッケルカ
ドミュウム電池やニッケル水素電池など、充放電可能な
二次電池４で作られた電源装置であり、電源装置３と電
動機１との間には、電源装置３から電動機１側へ電力を
供給するパワーインバータ回路５と、走行する電気自動
車の機械エネルギから回生された電気エネルギを電源装
置３に回収する回生充電コンバータ回路６とが接続され
ている。

【００１８】７は、これらのパワーインバータ回路５、
回生充電コンバータ回路６および制御機構１２等を制御
する制御装置であり、電気自動車の運転者がアクセル１
８を踏むとか離すときは、電源装置３から電動機１へ供
給する電流の位相や電流をインバータ２で変え、ブレー
キ１９を踏むとか離す等の運転動作のときは制御機構１
２のレギュレータ１１によってインバータ２から回生充
電コンバータ回路6側に電流を流したりするように回生
装置全体を制御するものである。

【００１９】電動機１は、小型で高効率であることの必
要性から磁石を内蔵したＤＣブラシレス電動機が使用さ
れ、この電動機１は外部からの力で回転されれば、小さ
な発電機として機能するものある。

【００２０】パワーインバータ回路５は、電気自動車の
通常の運転における電動機１への電力の供給の回路であ
り、電源装置３及び電源装置３から電動機１へ供給され
る電力の電圧や電流、その周波数等を制御するインバー
タ２等から構成されている。パワーインバータ回路５に
は、平滑コンデンサ１３や放電抵抗１４が接続されてお
り、平滑コンデンサ１３は、直流中の脈流を平滑するた
めに広く用いられているもの、放電抵抗１４は、電源装
置３に十分な電力が蓄えられた後にも電気自動車からの
電気エネルギの回生が予想され、かつ、回生充電コンバ
ータ回路６や電源装置３側において、この回生エネルギ
の回収の余力をを必要とすると演算推測されるときは、
電源装置３や電気二重層コンデンサ９にあらかじめ充電
の余力を確保するためにここで電力を消費し、急ブレー
キ１９をかけた時に回生される大量で瞬時の電気エネル
ギでも電気二重層コンデンサ９で回収できるようにする
ために用いられるものである。

【００２１】また、パワーインバータ回路５には、電圧
センサ１５と電流センサ１６、１７とが取り付けられて
おり、制御装置７は、これらのセンサ１５、１６、１７
で検知した電流及び電圧や電気二重層コンデンサ９側で
の電圧を基にインバータ２、回生用ＤＣ/ＤＣコンバー
タ８、及び制御機構１２を制御するようにしている。

【００２２】回生充電コンバータ回路６は、回生用ＤＣ
/ＤＣコンバータ８と電気二重層コンデンサ９等とから
構成され、電源装置３から回生充電コンバータ回路６へ
の電流の逆流を防ぐダイオード１０や、電気自動車の減
速走行時に回生充電コンバータ回路６側へ電流の切替を
する回生制御用レギュレータ１１を有する制御機構１２
を有し、電気自動車が走行時に有する機械エネルギから
回生された電気エネルギを、充電に適した電流と電圧に
変換して電源装置３に蓄えるための専用回路である。

【００２３】電気エネルギの回生が始ると同時に回生充
電コンバータ回路６は電気二重層コンデンサ９に蓄えら
れてくる電荷を二次電池４の充電用定格の電圧と電流に
変えて電源装置３へ向かわせることで、電気自動車の駆
動軸の機械エネルギから回生された電気エネルギのすべ
てを二次電池４に回収するようにするものである。すな
わち、回生された電気エネルギが電源装置３に回収され
るとインバータラインの電圧が落ち着くが、電気二重層
コンデンサ９側では、回収された電荷の量が増えるに従
ってすぐに電圧の上昇を感知した制御装置７は、電気二
重層コンデンサ９に電力が入ってきたら、瞬時に二次電
池４の充電の定格に合った電流と電圧にして二次電池４
の方へ回収して電圧の上昇を抑えるように制御する。

【００２４】すなわち、電気二重層コンデンサ９から二
次電池４への電力の回収時に、電気二重層コンデンサ９
に蓄えられた電圧が二次電池４の充電の定格電圧より低
い時は、回生用ＤＣ/ＤＣコンバータ８は電気二重層コ
ンデンサ９に蓄えられた電力の電圧を上げ、二次電池４
の充電仕様に適合した電圧と電流にして二次電池４に供
給するものであり、この回収は電気二重層コンデンサ９
の電力がなくなるまで続けらる。このようにして、電気
二重層コンデンサ９に回収された電力はすべて電源装置
３の二次電池４側に供給され、電気二重層コンデンサ９
に蓄えられた電荷が空になり、急ブレーキ等のように大
量の電力が急に回生された時でもこれらの電力を瞬時に
電気二重層コンデンサ９等の大容量のコンデンサで回収
できるようにするものである。

【００２５】制御装置７は、電気自動車の運転者が、ア
クセル１８を踏むとか離す、ブレーキ１９を踏むとか離
す等、その運転動作に従い、電源装置３から電動機１へ
の電力の供給と、発電機として機能した電動機１側から
回生充電コンバータ回路６へのエネルギの回収との切替
を制御機構１２によって行なうものである。

【００２６】電流センサ１６、１７には、例えば、電流
を監視するカレントトランスが用いられ、電源装置３側
の電流センサ１７は、電源装置３を構成する二次電池４
から電動機１へ供給される電流や回生充電コンバータ回
路６から二次電池４に充電用として供給される電流等を
検知することによって二次電池４を監視し制御するもの
である。インバータ２側の電流センサ１６は、電動機１
へ供給される電流や電動機１側から回生されて充電のた
めに回生充電コンバータ回路６に流れる電流等、このエ
ネルギ回生装置全体の電流を総合して監視するものであ
る。

【００２７】電圧センサ１５には、例えば、電圧を監視
できる電力トランスが用いられ、主に、どこにどれだけ
の電力が蓄えられているかを監視するものである。電圧
センサ１５と電流センサ１６、１７からの検出値を基に
制御装置７はエネルギ回生装置全体の総合的な電力と電
流の管理にが行なえる。例えば、図１において、インバ
ータ２側の電流センサ１６と電圧センサ１５は、各部に
おける電気エネルギの存在と変化を刻々、監視し、これ
を基に制御装置７はこのエネルギ回生装置の回路の全体
の電力を管理することができる。

【００２８】このような構成を有する本発明の電気自動
車のエネルギ回生装置は、電気自動車の起動とか加速走
行中は、従来と同様に、電源装置３から出た電流がイン
バータ２で変調されて電動機１に供給され、ここで、電
気エネルギが回転力に変わり、これを車輪に伝えて、電
気自動車の始動や加速の力になる。この時に電動機１へ
供給される電力量は運転者がアクセル１８を踏み込む量
で制御され、アクセル１８を強く踏めば強い加速、軽い
アクセル１８の踏み込みのときは緩い加速となる。

【００２９】一方、走行中の電気自動車からのエネルギ
の回生は、制御装置７が自動車の運転者の動作を監視
し、運転者がアクセル１８を離すと、運転者が間もなく
ブレーキ１９を踏むと予測して、瞬時にインバータ２を
オフにすると同時に電動機１を発電機としての機能に切
替える。発電機に切替わった電動機１では、走行中の車
輪から伝わる機械エネルギを電気エネルギ（電力）とし
て回生し、発生する電圧が次第に高くなるが、このと
き、運転者がブレーキ１９を踏めばその踏み加減によっ
て、制御機構１２はレギュレータ１１による電気二重層
コンデンサ９への電流量を変え、電気二重層コンデンサ
９による電気エネルギの回収量を変化させ、電気自動車
はこの回収量に応じた制動がなされる。すなわち、運転
者がブレーキ１９を強く踏めば、電気二重層コンデンサ
９に回収する電気エネルギ量が増え、電気自動車が走行
時に有している機械エネルギは電気エネルギとして多量
に回生し、回収されるために急激に機械エネルギが減少
し、電気自動車の制動は強まる。ブレーキ１９を弱く踏
めば、回生し、回収される電気エネルギも少なく、機械
エネルギの減少割合も少ないために、電気自動車の制動
と減速は僅かになる。

【００３０】このように、運転者がブレーキ１９を踏む
強さによって制御装置７は制御機構１２によって二次電
池４で回収する電気エネルギを制御し、これによって、
電気自動車の運転者は、機械的な摩擦ブレーキ１９でな
く、電気ブレーキ１９を用いるだけで思い通りに自動車
の制動をすることができる。

【００３１】また同時に、回生電力は電気二重層コンデ
ンサ９への回収が開始されると直ちに回生用ＤＣ/ＤＣ
コンバータ８によって二次電池４への充電も開始され、
二次電池４では、電池内で順次化学変化を起こして、徐
々に電気エネルギを吸収し電力として蓄える。このよう
して電気自動車の走行エネルギからの回生電気エネルギ
は、常時、そのエネルギ量の多少にかかわらず、回生充
電コンバータ回路側での回収容量を十分に保ちつつ、連
続して電気二重層コンデンサや電源装置に回収すること
ができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明に係かる
エネルギ回生装置は電気自動車における電源装置から電
動機へ電力を供給するパワーインバータ回路と回生され
た電気エネルギを電源装置に回収する大容量のコンデン
サを備えた回生充電コンバータの専用回路とを設けたの
で、大容量のコンデンサの特性を生かして、走行する電
気自動車から回生された電気エネルギを、その発生電圧
に拘らず二次電池に余力を持たして回収できるものであ
り、これにより、従来のこの種の大容量のコンデンサや
電源装置よりも効率良く回生電気エネルギの回収ができ
る電気自動車のエネルギ回生装置を提供できるものであ
る。

【００３３】また、このような回生用DC/DCコンバータ
と大容量のコンデンサからなる電気エネルギ回収用の独
立した専用回生充電コンバータ回路を電気自動車に備え
ることにより、運転者がブレーキを作動すると同時に回
生される電気エネルギは、直ちに大容量の電気二重層コ
ンデンサで回収された後、この電気二重層コンデンサに
蓄えられた電気エネルギを回生用ＤＣ/ＤＣコンバータ
で定格の充電条件に変換し、電源装置に供給して、ここ
で蓄え、この電気二重層コンデンサの充電容量を十分に
大きく維持するようにさせることができ、電気自動車の
走行中の機械エネルギをブレーキの熱エネルギにして逃
がしていた従来の電気自動車のブレーキと異なり、基本
的には全ての機械エネルギを電気エネルギとして回生し
て制動する回生ブレーキで電気自動車を制動することが
できる。

【００３４】すなわち、電気二重層コンデンサを入れ
て、回生した電気エネルギは一時的に、瞬時に、電気二
重層コンデンサで回収した後、連動して回生用DC/DCコ
ンバータを働かせ、常に十分な受電容量を保つようにし
ているので、運転している人の希望通りにブレーキやア
クセル操作をした際に生じる電気エネルギは電気二重層
コンデンサに回収され必要な制動がなされる。

【００３５】また、この発明のエネルギ回生装置によれ
ば、放電抵抗を用いつつ、電気エネルギの回収余力を確
保し、電気自動車に急ブレーキをかけた時、機械エネル
ギから急激に回生された電気エネルギが大電流となって
電気自動車の電気回路に流れても、この大電流を吸収す
ることができるので、運転者がブレーキを踏んだにも拘
らず電気自動車は制動されないということも、或いは、
大電流によって充電回路が損傷されたり、二次電池に影
響を及ぼしたりすることもなく、機械エネルギを電気エ
ネルギとして回生することによるブレーキシステムを電
気自動車の主ブレーキとし、機械エネルギを熱エネルギ
に変えて制動する従来のブレーキシステム（機械ブレー
キという）を従にした電気自動車の専用のブレーキシス
テムを実現するものである。

【００３６】更にまた、この発明のエネルギ回生装置
は、電気二重層コンデンサに回収された電力が、直ちに
回生用DC/DCコンバータ、ダイオードを経て二次電池の
仕様に合った電流と電圧に変換されて逐次二次電池に回
収されるので、電気二重層コンデンサ等の大容量のコン
デンサを従来の同種の装置のときよりも小型にしなが
ら、より大きな回生電気エネルギの回収をすることがで
きるようになる。

【００３７】

【図面の簡単な説明】

【００３８】

【図１】本発明に係る電気自動車のエネルギ回生装置の
一実施例を示すシステム構成図である。

【００３９】

【符号の説明】

１ 電動機 ２ インバータ ３ 電源装置 ５ パワーインバータ回路 ６ 回生充電コンバータ回路 ７ 制御装置 ８ 回生用ＤＣ/ＤＣコンバータ ９ 電気二重層コンデンサ １２ 制御機構 １８ アクセル １９ ブレーキ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 充放電可能な二次電池を備え、この二次
   電池に貯えられた電気エネルギによって回転する電動機
   を駆動源として走行する一方、走行時の機械エネルギを
   電気エネルギとして前記二次電池に回収するエネルギ回
   生装置を備えた電気自動車において、前記エネルギ回生
   装置は、電気二重層コンデンサ等の大容量のコンデンサ
   と電気エネルギ回生用のDC/DCコンバータとによる専用
   の回生充電コンバータ回路を備えていることを特徴とす
   る、電気自動車のエネルギ回生装置。
2. 【請求項２】 請求項１の発明において、電気エネルギ
   回生用のDC/DCコンバータは、大容量のコンデンサの電
   力を二次電池の充電に適した電圧と電流に変換して二次
   電池に供給する機能を備えた装置であることを特徴とす
   る電気自動車のエネルギ回生装置。
3. 【請求項３】 充放電可能な二次電池を備え、この二次
   電池に貯えられた電気エネルギによって回転する電動機
   を駆動源として走行する一方、減速走行時には、機械エ
   ネルギを電気エネルギとして前記二次電池に回収するエ
   ネルギ回生装置を備えた電気自動車において、前記エネ
   ルギ回生装置は、電気二重層コンデンサ等の大容量のコ
   ンデンサと電気エネルギ回生用のDC/DCコンバータとに
   よる専用の回生充電コンバータ回路と、電気エネルギ回
   収の制御装置とを備え、この制御装置は、電動機による
   駆動走行時には前記二次電池の電力を電動機側に供給
   し、かつ、減速走行時には前記電動機側から回生充電コ
   ンバータ回路側へ電流を切替える制御機構及び一時的に
   大容量のコンデンサに蓄えられた回生電力を二次電池へ
   供給して大容量のコンデンサの充電容量を十分に大きく
   維持する充電機構を備えていることを特徴とする電気自
   動車のエネルギ回生装置。