JP2001177914A - 電気自動車の電源システム - Google Patents
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Abstract
気二重層キャパシタ電池の各セルについての全揃充電を
する場合に、補助蓄電装置を充電するDC−DCコンバ
ータとは別に主蓄電装置充電用のDC−DCコンバータ
を設置する必要があった。 【解決手段】 主蓄電装置4を構成する電気二重層キャ
パシタ電池の各セル41,42,43,・・・について
の全揃充電をするためのDC−DCコンバータと、補助
蓄電装置8を充電するDC−DCコンバータとを同一の
DC−DCコンバータ17〜19とし、同時に双方向型
とする。
Description
タを主蓄電装置に使用した電気自動車またはハイブリッ
ド電気自動車の電源システムに関する。
気自動車の蓄電装置には化学電池を適用していたが、化
学電池は充放電サイクル寿命が短く、且つ高出力作動時
の効率が悪いため、電気二重層キャパシタ電池が適用さ
れてきている。図5は、ハイブリッド電気自動車の主蓄
電装置に電気二重層キャパシタを適用した電源システム
の基本構成例を示す。図において、1はエンジン、2は
発電機、3は整流器、4は主蓄電装置、5は車両駆動電
動機6を駆動するインバータである。エンジン1から車
両駆動電動機6までがパワートレインである。7は補助
蓄電装置8を充電するDC−DCコンバータ、9は補機
である。主蓄電装置4は、電気二重層キャパシタセル4
1,42,43,・・を複数直列接続して構成されてい
る。なお、電動機6以降の駆動機構についての図示は省
略してある。
ッド式の電気自動車の電源システムであり、エンジン1
と発電機2で発生した電力の一部または全部を主蓄電装
置4に充電する。エンジン1と発電機2で発生した電力
と主蓄電装置4の電力で、インバータ5を介して電動機
6を駆動して車両を走行させる。加速時は、発電機2の
電力と主蓄電装置4の電力または主蓄電装置4のみの電
力で、インバータ5を介して電動機6を加速駆動する。
回生制動時は、電動機6に発生した制動電力がインバー
タ5を介して、主蓄電装置4に回生される。また、DC
−DCコンバータ7はパワートレイン系の主蓄電装置4
から補助電源8を充電するチャージャであり、エンジン
車のオルタネータに相当する。
源システムは、図5から、エンジン1、発電機2、整流
器3を除去したシステム構成となり、共通の構成部分は
動作が同一となるので、詳述を省略する。図6は図5の
DC−DCコンバータ7の回路構成を示したものであ
る。図において、70,71は半導体スイッチ、72,
73,74,75はダイオード、76は変圧器、77は
電流平滑リアクトル、78,79は電圧平滑コンデンサ
である。この回路方式は2石式フォワード型と呼ばれる
公知の回路方式であるのでその動作説明は省略する。
速時には放電、制動時には充電の繰り返し作動となり、
その回数は数万回にも達する。電気自動車用主蓄電装置
はこの充放電サイクル回数に耐えるものでなくてはなら
ない。前述の電気二重層キャパシタによる蓄電装置はこ
の性能を有しており、電気自動車用として優れた蓄電装
置と言える。図5に示した電気二重層キャパシタ電池
も、従来の化学二次電池を多数直列接続した組電池と同
じく、電気二重層キャパシタセルを多数直列接続して構
成されており、従来の化学二次電池が電気二重層キャパ
シタに置き換えられたシステムである。
ギはキャパシタの電圧の2乗に比例する。言い換えれ
ば、直流電源として使用した場合、消費エネルギの増大
に応じて電気二重層キャパシタの電圧は低下して行く。
エネルギの75%を使用すると、電圧は1/2に低下す
る。図5に示す電源システムでは、消費電力によってイ
ンバータの入力電圧が大きく変化する。特に電気自動車
の場合、電圧が低下すると、中高速域の車両性能が大き
く低下する。このため、実際は図7に示すように主蓄電
装置であるキャパシタ電池4とインバータ5との中間に
チョッパ44を挿入して、インバータ5への入力電圧を
一定にする方法や、図8に示したように、キャパシタ電
池を複数のブロックに分割し、このブロックをスイッチ
で切り替えて、インバータの入力電圧の変化を小さくす
る方法が提案されている。
2はキャパシタ電池ブロックであり、各々キャパシタセ
ル100,110,120を必要数直列接続している。
13はキャパシタブロックの接続切替スイッチである。
図9は図8の切替スイッチ部13の詳細を示す図であ
る。130,131,132は両方向通流型のスイッチ
で、通常半導体スイッチが用いられる。図10は図9の
電源システムの場合のインバータ入力電圧の挙動を示
す。動作モードIでは、スイッチ130を閉じて、スイ
ッチ131,132は開とする。すると、キャパシタ電
池はキャパシタ電池ブロック10の電圧となる。動作モ
ードIIでは、スイッチ131を閉じて、スイッチ13
0,132を開にする。すると、キャパシタ電池はキャ
パシタ電池ブロック10,12の直列となる。動作モー
ドIIIでは、スイッチ132を閉じて、スイッチ13
0,131を開にする。すると、キャパシタ電池はキャ
パシタ電池ブロック10,11,12の直列となる。
に電気二重層キャパシタは化学電池と違い、蓄積エネル
ギは電圧の2乗に比例する。すなわち、蓄積エネルギの
増大に応じて、キャパシタ電圧が上昇する。また、図5
〜図9に示した電源システムでは電気二重層キャパシタ
を従来の化学二次電池の組電池と同じように使用してい
る。即ち、多数のキャパシタセルを直列接続したキャパ
シタ電池を1つのキャパシタ電池とみなして使用してい
る。多数直列接続された電気二重層キャパシタは、充電
した状態での長時間放置または充放電を繰り返すとキャ
パシタセル電圧にバラツキが発生するので、頻繁に充放
電を繰り返す電気自動車に適用すると、この電圧のバラ
ツキによって、一部のキャパシタセルが過電圧になり、
キャパシタ電池の故障に至ってしまう。
大故障であるので、電気二重層キャパシタ電池を電気自
動車に適用する場合、キャパシタセルが過電圧にならな
いことが大きく求められている。次に、直列接続された
電気二重層キャパシタセルの電圧挙動について説明す
る。図5に示した電気二重層キャパシタセルの内部等価
回路は図11のように表される。図11は図5のキャパ
シタセル41について示したものである。電気二重層キ
ャパシタセル41は、等価的にキャパシタエレメント4
10a,411a,412a,・・・が抵抗410b,411b,
412b,・・・を介して並列接続されているとみなせ
る。また、キャパシタセル毎に自己放電を等価的に表す
放電抵抗410c,411c,412c,・・・がキャパシタ
エレメント410a,411a,412a,・・・に並列に接
続されているとみなせる。
重層キャパシタ電池を適用する場合、電気二重層キャパ
シタセルを複数個直列接続して使用するが、各キャパシ
タセル毎の回路定数は全て同じではないことによる問題
が発生する。以下にその内容を説明する。キャパシタ電
池を充電した状態で長時間放置すると、各キャパシタセ
ル毎に内部の自己放電抵抗によって自己放電する。この
直列接続キャパシタセルの電圧挙動を図12で説明す
る。説明を簡素化するため、2ケ直列の場合で説明す
る。
が均一に電圧V1に充電された状態(合成電圧はV0)の
時刻t=T0で、キャパシタ電池を開放状態にして放置
する。時刻t=T1までキャパシタセルを自己放電させ
ると、自己放電抵抗値の違いにより、時刻t=T1での
キャパシタセルC1,C2の電圧値は異なってくる。次
に、時刻t=T1からキャパシタ合成電圧が規定値V0に
なるt=T2まで充電する。両キャパシタセルはほぼ同
じ電圧ΔV/2上昇する。時刻t=T2でキャパシタセ
ルC1の電圧はキャパシタセルC2よりも大きくなるが、
過電圧レベルV2には達しない。
放状態にして放置する。両キャパシタセルは自己放電を
始める。時刻t=T3のキャパシタセル電圧のバラツキ
は時刻t=T1の時よりも更に拡大する。時刻t=T3で
再び、キャパシタセル合成電圧が規定値V1になる時刻
t=T4まで充電する。時刻t=T3の時点でのキャパシ
タセル電圧のバラツキを受けて、時刻t=T4での電圧
のバラツキは時刻t=T2の時の電圧より更に拡大し、
キャパシタセルC1の電圧は過電圧レベルV2を越えてし
まい、キャパシタセルの故障にまで発展してしまう。図
12では、時刻t=T1,T2で開放して自己放電させる
場合について示したが、負荷へ電力供給して放電する場
合も同じ現象となる。この場合は、自己放電の場合よ
り、放電時間は短くなる。
策として、従来は、電気二重層キャパシタセルを多数直
列接続して電池として使用する場合、直列キャパシタセ
ルの1つでも過電圧にならないよう、各キャパシタセル
毎に電圧均等化回路を接続し、キャパシタセルが過電圧
になる前に、適当なタイミングでキャパシタセル電圧を
均等にする方法がとられている。図13はこの方法につ
いて示したものである。図12の場合と同じく、直列数
2の場合で示してある。キャパシタセル電圧Vが基準電
圧V1に達すると、電圧均等化回路4a,4bを作動させて
充電電流I0の一部をibとして電圧均等化回路4a,4b
に分流させる。キャパシタセル電圧の上昇に応じて、こ
の分流量を増し、キャパシタセル電圧がV2に達する
と、キャパシタセルへの電流icを零にする。
し、規定電圧以上では充電電流をバイパスさせることに
よって、キャパシタセルの電圧はV2より高くはならな
い。なお、電圧均等化回路には、V2とI0の積の電力損
失が発生するが、V2は2〜3Vであり、I0は数Aにし
ているので、発生電力は数W程度である。また、図12
において、キャパシタセルC1の電圧がV2に達すると、
電圧均等化回路が作動して、電圧はV2に保たれる。更
に充電を続けるとキャパシタセルC2も同様に電圧均等
化回路の動作によってV2になり、キャパシタセルの電
圧バラツキはほぼ零となり、直列キャパシタセル全部の
充電電圧は同一のV2になる。
一に揃えた後、正規の負荷電力の放充電を行うと、放充
電サイクル及び時間経過に伴いキャパシタ電圧のバラツ
キは拡大して行く、そこで適当な時間経過後または適当
な放充電サイクル経過後に前述の均等充電を行って、キ
ャパシタセル電圧のバラツキをほぼ零に補正する。この
ような使い方をすることで、本発明では、直列接続され
たキャパシタセルが過電圧にさらされることがなくな
り、長寿命なキャパシタ電池が実現される。
二重層キャパシタセルを小電力の外部電源によって充電
し、各セルに接続したセル過電圧保護回路によってセル
電圧を揃えることで十分な充放電サイクルが得られるこ
と、また、電気自動車には補機用の補助蓄電装置を備え
ていることに着目してなされたものである。具体的に
は、補助蓄電装置からDC−DCコンバータを介して、
複数のブロックに分割された電気二重層キャパシタ電池
毎にキャパシタセル全数を均一電圧に充電(以下これを
全揃充電と称する)するようにしたものである。また、
補助蓄電装置用のDC−DCコンバータと全揃充電用の
DC−DCコンバータとを同一のDC−DCコンバータ
としかつ双方向型としたものである。
態を説明する。図1は本発明の第1の実施形態で、請求
項1乃至3に相当する発明であり、自動車の補助蓄電装
置を電源にしてキャパシタセルを全揃充電するシステム
である。図1において、5はインバータであり、車両駆
動電動機6を駆動する。7は補助蓄電装置8を充電する
DC−DCコンバータであり、13は電気二重層キャパ
シタ電池ブロック接続切替え回路である。
DC−DCコンバ−タであり、補助蓄電装置8の電力を
用いて、キャパシタ電池ブロック10,11,12を充
電する充電器である。このキャパシタ電池ブロック1
0,11,12のそれぞれのキャパシタセルの直列接続
数は互いに異なるので、DC−DCコンバータ14,1
5,16の出力(キャパシタ側)電圧も互いに異なる。
回路構成例を示したものである。DC−DCコンバータ
14は絶縁型チョッパであり、図1と同一構成要素は同
一番号を付してある。図2において、140は半導体ス
イッチ、141,142,143,144,145はダ
イオード、146は変圧器、147は電流平滑リアクト
ル、148,149は電圧平滑コンデンサである。出力
側(キャパシタ側)の電圧は変圧器146の巻数比を変
えることで変える。この図示された絶縁型チョッパの動
作は公知であるので、ここでは説明を省略する。また、
図1のDC−DCコンバータ15,16もコンバータ1
4と同様な構成であるので説明を省略する。
求項4に相当する発明である。すなわち、図1の発明で
示したDC−DCコンバータ14,15,16の機能と
DC−DCコンバータ7の両方の機能を持ったDC−D
Cコンバータの回路構成例である。図3において、図1
と同一の構成要素は同一番号を付してある。図3におい
て、9は補助蓄電装置8により駆動される補機であり、
17,18,19は双方向動作型のDC−DCコンバー
タであり、キャパシタ電池ブロック10,11,12か
ら補助蓄電装置8への充電機能と補助蓄電装置8からキ
ャパシタ電池ブロック10,11,12ヘの充電機能を
備えている。
回路構成例である。図4において、図3と同一構成要素
には同一番号を付してある。図4において、170,1
71,172,173は半導体スイッチ、170a,1
71a,172a,173a,174,175はダイオ
ードであり、170,171,172,173の半導体
スイッチにはダイオード170a,171a,172
a,173aが図示のように逆並列接続されている。1
76は変圧器、177は電流平滑リアクトル、178,
179は電圧平滑コンデンサである。
動作について説明する。補助蓄電装置8をキャパシタ電
池ブロック10から充電する場合は、半導体スイッチ1
70,171はオフし、172と173をスイッチング
する。この場合の回路構成は図6に示した従来公知の2
石式フォワード型と等価な回路となる。次に、補助蓄電
装置8からキャパシタ電池10を充電する場合は、半導
体スイッチ172,173をオフし、170,171を
スイッチングする。この場合の回路構成は図2と等価な
回路となる。但し、半導体スイッチ171は図2のダイ
オード141と同じ動作をさせる。
の回路構成は、図4のDC−DCコンバータ17と同じ
であるのでその説明を省略する。また、図示しないが、
キャパシタ電池ブロック10,11,12のそれぞれの
キャパシタセルには、図13に示したようなセル過電圧
保護回路(電圧均等化回路)が接続されており、充電の
際に各セルの電圧が揃えられる。
又はハイブリッド電気自動車の主蓄電装置に、電気二重
層キャパシタセルを直列接続したキャパシタ電池を複数
のブロックに分割し、このブロックを双方向通電型スイ
ッチで直列数を切替えるようにした電源システムにおい
て、各電池ブロックのキャパシタセルを車載の補助蓄電
装置からDC−DCコンバータを介してキャパシタセル
電圧を常に均一に充電して使用するするように構成した
ことで、次の効果が得られる。
電圧になることがないので、電池として安定に作動し、
高い信頼性が得られる。 (2)電気自動車の主蓄電装置に電気二重層キャパシタ
電池の適用を可能にしたことで電池が長寿命となり、実
用的な電気自動車及びハイブリッド自動車が実現でき
る。 (3)DC−DCコンバータはキャパシタ電池ブロック
から補助蓄電装置を充電するようにして主電池から補助
蓄電装置の充電を兼用したことで、キャパシタ電池の全
揃充電電源には、走行に必要な機器の流用が可能とな
る。それにより、電源システムが低廉で実用的な電気自
動車またはハイブリッド電気自動車が実現できる。
成図である。
成図である。
ある。
図である。
する図である。
路 14〜16 キャパシタ電池ブロック充電用DC−DC
コンバータ 17〜19 双方向型DC−DCコンバータ 41〜43,100,110,120 電気二重層キャ
パシタセル 44 チョッパ 70,71,140,170〜173 半導体スイッチ 73〜75,141〜144 ダイオード 170a〜173a,174,175 ダイオード 76,146,176 変圧器 77,147,177 電流平滑リアクトル 78,79,147,148,178,179 電圧平
滑コンデンサ 130〜132 双方向通電型スイッチ 410a〜412a キャパシタエレメント 410b〜412b 内部抵抗 410c〜412c 自己放電抵抗
Claims (8)
- 【請求項1】 車載エンジン発電機の電力または車載主
蓄電装置の電力で車両を駆動する電気自動車であって、
電気二重層キャパシタセルを複数個直列または直並列接
続したキャパシタ電池ブロックを切替え回路を介して複
数個組み合わせてなる主蓄電装置と、車両補機用の補助
蓄電装置と、前記主蓄電装置と補助蓄電装置の間に接続
されて主蓄電装置の電力で補助蓄電装置を充電するDC
−DCコンバータとを備えた電気自動車の電源システム
において、 前記キャパシタ電池ブロックのキャパシタセルを監視し
て全揃充電を開始するタイミングか否かを判別する手段
と、 全揃充電開始タイミングと判別された場合に、補助蓄電
装置の電力を用いて、充電対象のキャパシタセルの全数
または所定数が所定電圧に達するまでキャパシタセルを
充電する全揃充電用DC−DCコンバータと、 を備えたことを特徴とする電気自動車の電源システム。 - 【請求項2】 請求項1記載の電気自動車の電源システ
ムにおいて、 全揃充電用DC−DCコンバータを各キャパシタ電池ブ
ロックごとに設けたことを特徴とする電気自動車の電源
システム。 - 【請求項3】 請求項1または2記載の電気自動車の電
源システムにおいて、 補助蓄電装置用のDC−DCコンバータと全揃充電用の
DC−DCコンバータとを同一のDC−DCコンバータ
としかつ双方向型としたことを特徴とする電気自動車の
電源システム。 - 【請求項4】 請求項1〜3のいずれかに記載の電気自
動車の電源システムにおいて、 全揃充電の開始タイミング判別手段は、キャパシタ電池
ブロックの電圧が所定値以下に低下したら開始タイミン
グであると判別することを特徴とする電気自動車の電源
システム。 - 【請求項5】 請求項1〜3のいずれかに記載の電気自
動車の電源システムにおいて、 全揃充電の開始タイミング判別手段は、キャパシタ電池
ブロックの前回の全揃充電終了後の経過時間を計測し所
定時間に達したら開始タイミングであると判別すること
を特徴とする電気自動車の電源システム。 - 【請求項6】 請求項1〜3のいずれかに記載の電気自
動車の電源システムにおいて、 全揃充電の開始タイミング判別手段は、キャパシタ電池
ブロックの前回の全揃充電終了後の充放電サイクル数を
計測し所定回数に達したら開始タイミングであると判別
することを特徴とする電気自動車の電源システム。 - 【請求項7】 請求項1〜3のいずれかに記載の電気自
動車の電源システムにおいて、 全揃充電の開始タイミング判別手段は、キャパシタ電池
ブロックの前回の全揃充電終了後の経過時間および充放
電サイクル数を組み合わせた値にもとづいて判別するこ
とを特徴とする電気自動車の電源システム。 - 【請求項8】 請求項1〜7のいずれかに記載の電気自
動車の電源システムにおいて、 前記キャパシタ電池ブロックの各キャパシタセルにそれ
ぞれ電圧均等化回路を接続したことを特徴とする電気自
動車の電源システム。
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