JP2000354306A - 電気的車輌駆動装置 - Google Patents

電気的車輌駆動装置

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JP2000354306A JP2000134518A JP2000134518A JP2000354306A JP 2000354306 A JP2000354306 A JP 2000354306A JP 2000134518 A JP2000134518 A JP 2000134518A JP 2000134518 A JP2000134518 A JP 2000134518A JP 2000354306 A JP2000354306 A JP 2000354306A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 一個のエネルギ源は基本的負荷電力供給用に
設けられ、エネルギ貯蔵装置として形成された他のエネ
ルギ源は短時間の負荷ピークのために設けられ、制動エ
ネルギを高効率で回収、利用可能である電気的車輌駆動
装置を提供する。 【解決手段】 モータまたは発電装置として選択的に作
動可能な電気機械を備えた電気的車輌駆動装置であっ
て、電気機械は第一のエネルギ供給源および第二のエネ
ルギー供給源の供給電圧に接続可能な直流接続端子をも
ち、第一のエネルギ供給源は電気機械の基本的負荷電力
供給のために設けられ、第二のエネルギ供給源は電気機
械の一時的ピーク負荷供給のために設けられたエネルギ
貯蔵装置である。エネルギ貯蔵装置は電気機械が発電装
置モード時に電気機械を介して車輌制動エネルギを貯蔵
可能である。エネルギ貯蔵装置である第二エネルギ源
は、双方向性DC/DC変換器を介して、電気機械の直流接
続端子に接続された第一エネルギ源の電力供給端子に接
続される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はモータまたは発電装
置として選択的に作動可能な電気機械を備えた電気的車
輌駆動装置に関止、特に第一のエネルギ供給源および第
二のエネルギー供給源からの供給電圧に接続可能な直流
接続端子を持つ電気機械を備えた電気的車輌駆動装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】電気的車輌駆動装置においては、一時的
に大きく変化する負荷状態に耐えなくてはならないとい
う問題がある。しかし、一般に使用されているエネルギ
供給源すなわちエネルギ貯蔵装置は所定の負荷状態での
み最適に作動する。加速状態では一時的（短時間）な出
力電力ピークを供給することが要求されるが、これに対
し、一定速度のより長期間の運転では長時間にわたる一
定な基本的負荷電力が要求される。妥当な電力/重量比
において、短時間により多くのエネルギを出力すること
と長時間にわたり一定な基本的負荷電力を供給すること
とに同様に適したエネルギ供給源すなわちエネルギ貯蔵
装置はこれまで出現していない。
【０００３】蓄電池（バッテリ）の電極を適切に設計す
ることで、短時間の高電力出力に適う蓄電池、たとえば
鉛−始動用（スタータ）蓄電池、によって短時間に高出
力を供給することが可能である。しかしこのような設計
は蓄電池のエネルギ貯蔵能力を減少させる。また、アル
カリ系蓄電池装置、たとえばニッケル−金属水素化物蓄
電池、でも短時間に高出力が得られるが、その代わり、
エネルギ貯蔵能力は制限される。コンデンサ（蓄電池）
は、まさに、貯蔵能力が制限された「電気エネルギ貯蔵
装置（蓄電池）」の代表といったものである。他方、高
エネルギ貯蔵能力をもつ装置として、たとえば金属/空
気バッテリが知られている。この場合には、重力測定に
よるエネルギ密度は200 Wh/kgに達し、普通の電気化学
的エネルギ貯蔵装置（蓄電池）の最高値の二倍を越え得
る。しかし、この種の蓄電池は、長時間の一定な放電に
のみ使用できる。
【０００４】電気エネルギに変換された制動エネルギ
は、車輌制動時において、高いピーク電力の蓄積にも適
した種類の蓄電池にのみ良く蓄積される。高内部抵抗の
蓄電池は、その特性上、たとえばニッケル/金属水素化
物蓄電池程度には、加速用の高いピーク電力を供給でき
ないし、また、上記の制動で生じる再生可能な（regene
rative)エネルギを全て蓄積することはできない。反対
に、なんらかの制限された貯蔵能力ではあるが、制動エ
ネルギを電気エネルギに変換するために使用される、一
時的な（短時間の）高出力蓄積用の鉛−始動用（スター
タ）蓄電池、コンデンサ集合装置およびはずみ車装置
は、上記の再生可能な制動エネルギを全て蓄積できる。
バッテリと違って、燃料蓄電池は、電荷を蓄積しない電
気的エネルギ源である。燃料蓄電池によって電気的駆動
エネルギが生成される場合には、追加の電気エネルギ貯
蔵装置なしには、制動エネルギの再蓄積は不可能であ
る。この場合には、電気エネルギに変換された制動エネ
ルギは、車輌駆動に再使用できずに、電気的制動抵抗で
消費されるだけである。
【０００５】当初に述べた種類の電気的車輌駆動装置は
DE 41 18 594 C1に記載されている。該文献の装置は、
各々異なる負荷状態をもつ二個の電気的エネルギ貯蔵装
置を備えている。放電制御調整装置によって、一方の、
または他方の、または両方のエネルギ供給装置からの電
気エネルギの電気的車輌駆動装置への供給が調整され
る。この際、第一のエネルギ貯蔵装置は充分に長期間の
一定した基本的負荷電力供給ができる高出力蓄電池であ
り、第二のエネルギ貯蔵装置は負荷ピーク出現時に第一
のエネルギ貯蔵装置に接続される小型蓄電池で構成され
る。両エネルギ貯蔵装置は、電気供給網に接続されるこ
とによって、または、該電気的車輌駆動装置を搭載した
車輌の制動動作または航続（coasting)動作（推進動
作）によって充電される。
【０００６】DE 195 22 563 A1は、車輌用バッテリおよ
びコンデンサ（蓄電）装置をもち、電気駆動モータによ
り制動する電気車輌を記載している。ここでレキュペレ
ート（回収）された電気エネルギは蓄電装置に供給され
暫時蓄積される。これにより、車輌用バッテリの最大充
電電流を越える充電電流による該車輌用バッテリの寿命
短縮を防いでいる。
【０００７】DE 196 28 877 A1は、一定の駆動出力を供
給するために、電気機械と、大型エネルギ貯蔵装置とし
て形成された蓄電池とを含む原動機付車輌を開示してい
る。この車輌は、電力コンデンサ、ターボエネルギ貯蔵
装置、ばね型エネルギ貯蔵装置、または圧力型エネルギ
貯蔵装置として形成される高出力エネルギ貯蔵装置をさ
らに備えている。平坦走行路を低速度で走行するときに
は、もっぱら上記大型エネルギ貯蔵装置（蓄電池）から
エネルギが供給される。加速走行および登り坂の走行の
ためにさらにエネルギが必要な場合には、高出力エネル
ギ貯蔵装置からエネルギが供給される。ここでは、車輌
は電気機械によって制動され、そのさい生じるエネルギ
の少なくとも一部はこれらのエネルギ貯蔵装置に再供給
される。
【０００８】ドイツ特許公報GB 2 271 228 Aは連続電流
供給装置を記載している。ここでは、正常条件下で対象
となる負荷は主電流供給装置から電力を供給され、一
方、蓄電池は該負荷および充電装置から切断される。主
電流供給装置（からの電流）が途絶えたときには、電流
（エネルギ）は該蓄電池から可変電圧システム変換器お
よび変圧器を介して供給される。この変圧器の一方のコ
イルは該可変電圧システム変換器のブリッジ辺に接続さ
れ、該ブリッジ辺は電流（エネルギ）供給対象の負荷の
ために使用される。該蓄電池には、所定の条件下で、上
記主電流供給装置から充電器を介して充電可能である。
【０００９】日本国特許公開公報JP 09-009417 Aは双方
向性DC/DC変換器を開示している。該変換器は二個の電
圧システム変換器とそれらの間に設けられた変圧器とか
ら構成される。該変圧器を介して、補助機械の電力供給
用に設けられた他の蓄電池と共に、電気機械の直流電圧
端子に接続された主蓄電池に電力が供給される。
【００１０】ドイツ特許公報DE 198 10 467 C1（従来技
術ではない）は、一個のDC/DC変換器を含む燃料電池車
輌用ハイブリッド駆動装置の概念を開示している。この
DC/DC変換器は、エネルギ貯蔵装置と、モータまたは発
電装置として選択的に作動可能な電気機械との間に接続
されている。さらに、電気機械には燃料電池が接続さ
れ、該燃料電池は電気機械への電力供給のほかに、DC/D
C変換器を介して上記エネルギ貯蔵装置を充電すること
もできる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、一個
のエネルギ源は基本的負荷電力供給用に設けられ、エネ
ルギ貯蔵装置として形成された他のエネルギ源は短時間
の負荷ピークのために設けられ、制動エネルギは高効率
で回収、利用可能である電気的車輌駆動装置を提供する
ことである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の１観点によれ
ば、エネルギ貯蔵装置である第二エネルギ源が、双方向
性DC/DC変換器を介して、第一エネルギ源の、電気機械
の直流接続端子に接続された電力供給端子に接続される
電気的車輌駆動装置が提供される。第一のエネルギ供給
源は電気機械の基本的負荷（base load)電力供給源であ
り、第二のエネルギ供給源はエネルギ貯蔵装置である。
このエネルギ貯蔵装置は電気機械の一時的なピーク負荷
電力供給のために設けられ、さらに、このエネルギ貯蔵
装置は該電気機械が発電装置モードの動作時に該電気機
械を介して車輌制動エネルギを貯蔵可能である。
【００１３】制動時には、エネルギ貯蔵装置である第二
エネルギ源に制動エネルギが供給できる。逆に、負荷ピ
ーク時には、電気機械は第二エネルギ源からのエネルギ
で駆動可能である。さらに、DC/DC変換器を介して第二
エネルギ源を第一エネルギ源のエネルギで充電できる。
【００１４】本発明の１実施形態によれば、逆電流防止
のために、第一エネルギ源に電流遮断要素を設ける。こ
れにより、第一エネルギ源は、制動エネルギの回収時に
発生し得る過電圧から保護される。また、電気機械が第
二エネルギ源からのエネルギによって駆動される負荷ピ
ークの出現時に発生し得る過電圧から第一エネルギ源は
保護される。
【００１５】本発明の他の実施形態によれば、双方向性
DC/DC変換器は、単相ブリッジ回路内の、タイミングパ
ルスで制御可能な同様な二個の電圧システム変換器によ
り構成され、各電圧システム変換器はブリッジ辺の一個
の変換器用巻線を含む。適切なタイミングパルスによっ
て、電圧システム変換器は、エネルギ貯蔵装置としての
第二エネルギ源に回収した制動エネルギを供給できる。
さらに、第一エネルギ源および第二エネルギ源からのエ
ネルギで電気機械を駆動できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】本発明の有利な実施例を、図面を
参照して、以下に説明する。
【００１７】図１は、電気的車輌駆動装置のブロック図
である。
【００１８】図示の電気的車輌駆動装置1は永久励起さ
れた同期機に接続された３相インバータ（逆変換器）2
を含む。しかし、電気的車輌駆動装置1は、直流供給に
適した駆動装置として任意に変更することも可能であ
る。電気的車輌駆動装置1は直流電圧端子4a， 4b を有
し、該端子にはダイオード5を介して車輌用蓄電池6とし
て設けられた第一エネルギ源が接続される。この電源は
ダイオード5により、場合によっては発生し得る有害な
逆電流から保護されている。また、第一エネルギ源はた
とえば燃料電池として形成されてもよい。
【００１９】ダイオード5が接続された第一エネルギ源6
と車輌駆動装置1との間に第一の電圧システム変換器7が
接続される。この電圧システム変換器7は、巻線11と12
を有する変圧器を介して第二の電圧システム変換器8に
誘導結合されている。第二電圧システム変換器8は、車
輌駆動装置1用第二エネルギ源として機能する電力エネ
ルギ貯蔵装置9に接続される。電力エネルギ貯蔵装置9は
典型的にはコンデンサによって構成され、短時間の電力
ピークの供給と吸収に適する。この電力ピークは、上記
電気的車輌駆動装置によって駆動される車輌の加速時と
制動時に現れる。
【００２０】誘導結合された電圧システム変換器7と8は
DC/DC変換器を形成し、各々単相ブリッジ回路内に設け
られる。これらの電圧システム変換器7と8は、トランジ
スタで構成された回路要素10を含む。回路要素10は、必
要時に、対応ブリッジ辺を交互に流れる電流を該変換器
の一次巻線と二次巻線に供給するためのものである。図
示したバイポーラ接合トランジスタ10の代わりに、他の
適当な半導体素子たとえば絶縁ゲートバイポーラトラン
ジスタ（IGBT）または金属ー酸化物ー半導体電界効果ト
ランジスタ（MOS-FET）を使用してもよい。電圧システ
ム変換器7と8により構成されるDC/DC変換器の送電と送
電方向は、できるだけ可聴臨海値（可聴限界）を越える
制御周波数でトランジスタ10を適切に制御することで決
定される。パルスのデューティ比（レシオ）を変えるこ
とで供給電力を調整できる。すなわち、スイッチ回路10
のパルスタイミングを適当な値にすることで、車輌用蓄
電池6と電力エネルギ貯蔵装置9との間の電圧変換比を制
御することができる。ここで、上記変圧器の一次巻線11
と二次巻線12の巻数比は、トランジスタ10のスイッチン
グ損失特性に関して適切なパルスデューティ比を可能と
するような電圧変換比に対応するように選択される。
【００２１】上記電気的車輌駆動装置により駆動される
車輌を加速する目的で電力エネルギ貯蔵装置9によって
速やかに高出力を供給可能とするために、電圧システム
変換器8のトランジスタ10がタイミングパルスで制御さ
れる。電圧システム変換器8内の二次巻線12から電圧シ
ステム変換器7内の一次巻線11に向かって交番電圧信号
が転送される。この交番電圧信号はダイオード13によっ
て整流される。加速状態が終了すると、通常の平均的走
行電力が蓄電池6から再び供給される。ここで、電圧シ
ステム変換器7と8から成るDC/DC変換器は必要な限りに
おいて電力エネルギ貯蔵装置9を再充電する。この充電
は、可能な限り、最大充電状態を典型的な再生可能制動
エネルギ値だけ下回るエネルギ値まで行われる。こうす
れば、いかなる場合でも、制動状態において制動エネル
ギの回収が可能となる。
【００２２】電圧システム変換器7と8内の半導体回路要
素の構成は封止型またはカプセル収容型の有利な構造と
する。また、コンデンサとして形成された電力エネルギ
貯蔵装置9は、電気化学蓄電池、または電気ー機械変換
器を備えたはずみ車（エネルギ貯蔵）装置としてもよ
い。この種のはずみ車装置の物理的特性は、コンデンサ
を基礎とする電力エネルギ貯蔵装置の物理的特性に充分
匹敵するものである。コンデンサを基礎とする電力エネ
ルギ貯蔵装置では、エネルギ貯蔵能力は電圧の二乗に比
例するが、上記はずみ車装置に貯蔵されるエネルギは回
転数の二乗に比例する。はずみ車に一定励起の変換器を
設けた場合には、はずみ車の回転数は端子電圧にほぼ比
例する。したがって、はずみ車に貯えられる電気的エネ
ルギははずみ車装置の端子電圧の二乗に比例する。
【００２３】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。
【００２４】
【発明の効果】 以上説明したように、本発明によれ
ば、エネルギ貯蔵装置は短時間の負荷ピークに対して速
やかに電力を供給し、制動エネルギを高効率で回収でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の１実施例による電気的車輌駆動装置
のブロック図である。
【符号の説明】
１ 電気的車輌駆動装置 ３ ３相インバータ（逆変換器） ４a,4b 直流電圧端子 ５ ダイオード ６ 車輌用蓄電池 ７、８ （誘導結合された）電圧システム変換器 ９ 電力エネルギ貯蔵装置 １０ 回路要素 １１ 一次巻線 １２ 二次巻線 １３ ダイオード

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 モータまたは発電装置として選択的に作
    動可能な電気機械（3）であって、第一のエネルギ供給
    源（6）および第二のエネルギー供給源（9）からの供給
    電圧に接続可能な直流接続端子（4a,4b）をもつ電気機
    械（3）を備えた電気的車輌駆動装置において前記第一
    のエネルギ供給源（6）は前記電気機械（3）の基本的負
    荷電力供給のために設けられ前記第二のエネルギ供給源
    （9）はエネルギ貯蔵装置であって、該エネルギ貯蔵装
    置は前記電気機械の一時的ピーク負荷供給のために設け
    られ、さらに該エネルギ貯蔵装置は、該電気機械が発電
    装置モード時に該電気機械を介して車輌制動エネルギを
    貯蔵可能であり、 前記エネルギ貯蔵装置である第二エネルギ源（9）は、
    双方向性DC/DC変換器を介して、前記第一エネルギ源
    （6）の、前記電気機械の直流接続端子（4a,4b）に接続
    された電力供給端子に接続されることを特徴とする電気
    的車輌駆動装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の電気的車輌駆動装置に
    おいて、前記第一エネルギ源（6）は、逆電流防止用の
    電流停止要素（5）に接続されることを特徴とする電気
    的車輌駆動装置。
  3. 【請求項3】 請求項1または請求項2に記載に電気的車
    輌駆動装置において、前記双方向性DC/DC変換器は、単
    相ブリッジ回路内の、タイミングパルスで制御可能な同
    様に構成された二個の電圧システム変換器（7，8）を含
    み、前記各電圧システム変換器はブリッジ辺の一個の変
    換器用巻線（11，12）を含むことを特徴とする電気的車
    輌駆動装置。
  4. 【請求項４】 電気的に車輌を駆動する電気的車輌駆動
    装置であって、 モーターまたは発電機として選択的に運転可能な電気機
    械；前記電気機械の入力に結合され、前記電気機械を実
    質的に定常状態の条件で駆動するための定常的負荷電力
    を供給することのできる第１エネルギ源と；前記電気機
    械の入力に結合され、車輌の加速時に前記電気機械を駆
    動する短時間ピーク負荷電力を供給することができ、前
    記電気機械が発電機として動作している時、発電された
    車輌の制動エネルギを蓄積することのできる第２エネル
    ギ源と；前記第１エネルギ源、前記第２エネルギ源、及
    び前記電気機械の入力に結合され、前記第１エネルギ源
    と前記第２エネルギ源との間、及び前記第１、第２のエ
    ネルギ源と前記電気機械との間で双方向性エネルギ転送
    を制御するDC-DC変換器とを含む電気的車輌駆動装置。
  5. 【請求項５】 請求項４記載の電気的車輌駆動装置であ
    って、前記DC-DC変換器は、 第１の複数の制御可能なスイッチ素子を含み、前記第１
    のエネルギ源と前記電気機械の入力との間に接続された
    第１ブリッジ回路と；第２の複数の制御可能なスイッチ
    素子を含み、前記第２のエネルギ源と前記電気機械との
    入力との間に接続された第２のブリッジ回路と；前記第
    １のブリッジ回路に結合された1次巻き線と、前記第２
    のブリッジ回路に結合された２次巻き線とを含み、前記
    第１又は第２の複数の制御可能なスイッチ素子のスイッ
    チイングに応答し、前記第１のエネルギ源と前記第２の
    エネルギ源との間で電気エネルギの双方向性転送を行な
    う変圧器とを含む電気的車輌駆動装置。
  6. 【請求項６】 モーターまたは発電機として選択的に運
    転可能な電気機械を有する電気的車輌駆動装置のための
    電力源であって、 前記電気機械の入力に結合され、前記電気機械を実質的
    に定常状態の条件で駆動するための定常的負荷電力を供
    給することのできる第１エネルギ源と；前記電気機械の
    入力に結合され、車輌の加速時に前記電気機械を駆動す
    る短時間ピーク負荷電力を供給することができ、前記電
    気機械が発電機として動作している時、発電された車輌
    の制動エネルギを蓄積することのできる第２エネルギ源
    と；前記第１エネルギ源、前記第２エネルギ源、及び前
    記電気機械の入力に結合され、前記第１エネルギ源と前
    記第２エネルギ源との間、及び前記第１、第２のエネル
    ギ源と前記電気機械との間で双方向性エネルギ転送を制
    御するDC-DC変換器とを含む電力源。
  7. 【請求項７】 請求項６記載の電力源であって、前記DC
    -DC変換器は第１の複数の制御可能なスイッチ素子を含
    み、前記第１のエネルギ源と前記電気機械の入力との間
    に接続された第１ブリッジ回路と；第２の複数の制御可
    能なスイッチ素子を含み、前記第２のエネルギ源と前記
    電気機械との入力との間に接続された第２のブリッジ回
    路と；前記第１のブリッジ回路に結合された１次巻き線
    と、前記第２のブリッジ回路に結合された２次巻き線と
    を含み、前記第１又は第２の複数の制御可能なスイッチ
    素子のスイッチングに応答し、前記第１のエネルギ源と
    前記第２のエネルギ源との間で電気エネルギの双方向性
    転送を行なう変圧器とを含む電力源。
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