JP2001339872A - ハイブリッドバッテリを備えた電気車の駆動装置及び制御方法 - Google Patents

ハイブリッドバッテリを備えた電気車の駆動装置及び制御方法

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voltage
motor
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Shotaro Naito
祥太郎 内藤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】電気車用のバッテリーとして、二次電池や常温
型燃料電池の弱点を補い、低負荷から高負荷までの広範
囲の出力要求に応えられるバッテリーを提供する。 【解決手段】直流電源を、二次電池からなり電動機に接
続されたパワーバッテリー２と、燃料電池からなりエネ
ルギーバッテリ制御スイッチを介して前記パワーバッテ
リーに並列に接続されたエネルギーバッテリー１とによ
って構成し、パワーバッテリー、エネルギーバッテリー
または電動機１４のいずれかの電流もしくは電圧に基づ
いて、昇圧回路７を制御し、直流電源の電圧を所定の範
囲に維持するバッテリー電流・電圧制御手段と、キース
イッチ１５のオフ時に、パワーバッテリー２の充電量が
所定値以下の時は、エネルギーバッテリー１からパワー
バッテリー２への充電を行ない、充電量が該所定値より
も大きい時は充電を停止する、充電制御手段とを設け
た。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気車の駆動装置
及び駆動制御方法に係り、特にハイブリッドバッテリを
電源とする電動機によって駆動される電気車に好適な電
気車の駆動装置及び駆動制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】電気車は一般に、搭載された直流電源を
可変電圧、可変周波数の交流電源に変換するインバータ
と、車両駆動用の三相交流電動機と、この三相交流電動
機の電流及び回転速度を検出する電流センサ及び速度セ
ンサと、アクセル開度に応じて三相交流電動機のトルク
指令を決定するトルク指令演算手段と、前記トルク指令
及び前記電流センサの出力に基づいて三相交流電動機の
電流を制御するための三相交流電流指令を発生する三相
交流電流指令発生手段と、前記三相交流電流指令と前記
三相交流電動機に流れる電流とに基づいて前記インバー
タを制御する信号を発生する信号発生手段を備えてい
る。
【０００３】このような電気車は、大気汚染の原因とな
る有害物質を排気ガスとして排出しない、地球環境と調
和しうるクリーンな自動車として、その利用が拡大され
つつある。化学工業社発行の「化学工業」1992年12月号
の69頁〜74頁には、「電気自動車用電池の開発動向」と
題して、新しい電池の開発動向が紹介されている。
【０００４】電気車用のバッテリーとしては一般に二次
電池、特に鉛電池が広く用いられているが、二次電池は
一充電当たりの走行距離が短く、このことが電気車の普
及を促進する上で大きな障害となっている。
【０００５】一方、近年、二次電池に代わる電気車用の
バッテリーとして、固体高分子型燃料電池のような常温
型の燃料電池が注目されつつある。燃料電池は、燃料の
水素と酸素を電気化学的に反応させてエネルギーを取り
出すものであり、燃料が供給される間は出力を発生し続
けるため長時間の運転が可能となる。また、排出物もク
リーンである。しかし、実用化されている常温型の燃料
電池の出力は、単位の電池の出力電圧が１Ｖ、あるいは
出力電力が１Ｗ／cm2程度であり、低負荷だけでなく高
負荷まで広範囲の出力が要求される電気車用のバッテリ
ーとしては、出力密度が小さいという欠点がある。
【０００６】そこで、電動機に流れる電流が多いとき
は、燃料電池と二次電池の両方を使用し、少ないとき
は、燃料電池の余剰電力により二次電池を充電して次の
大きな負荷に耐えられるようにしたハイブリッドバッテ
リの技術が、特開昭47−32321 号公報や特開平6−12472
0 号公報に示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記従来のハイブリッ
ドバッテリ方式の電源装置によれば、電気車用のバッテ
リーとして、二次電池や常温型燃料電池の弱点を補い、
広範囲の出力要求に応えられるバッテリーが得られる。
二次電池の定格電圧は通常３００Ｖであるのに対して、
燃料電池の定格電圧は２４Ｖ〜９６Ｖ、一般には４８Ｖ
である。従来のハイブリッドバッテリ方式の電源装置を
備えた電気車において、この定格電圧の大きな差異につ
いて十分に配慮されておらず、走行特性や走行可能距離
等の観点で十分に満足すべきものがなかった。
【０００８】本発明の目的は、電気車用のバッテリーと
して二次電池と燃料電池を組み合わせたハイブリッドバ
ッテリを用いるものにおいて、燃料電池と二次電池の定
格電圧の相違に配慮し、双方の特性を十分に活かした最
適な使用形態とすることによって、車両の低負荷から高
負荷までの広範囲の出力要求に応えられ、かつ走行可能
距離の長い電気車の駆動方式を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、搭載された直
流電源を動力源とする車両駆動用の電動機と、前記電動
機の回転を制御する信号を発生する信号発生手段とを有
する電気車の駆動装置において、直流電源を、二次電池
からなり、前記電動機に接続されたパワーバッテリー
と、燃料電池からなり、昇圧回路を介して前記パワーバ
ッテえおリーに並列に接続されたエネルギーバッテリー
とによって構成し、前記パワーバッテリー、前記エネル
ギーバッテリーまたは前記電動機のいずれかの電流もし
くは電圧に基づいて前記昇圧回路を制御し、前記直流電
源の電圧を所定の範囲に維持するバッテリー電流・電圧
制御手段と、前記パワーバッテリーの充電量が所定値以
下の時は、前記エネルギーバッテリーから前記パワーバ
ッテリーへの充電を行ない、前記充電量が該所定値より
も大きい時は充電を停止する、充電制御手段とを備えた
ことを特徴とする。
【００１０】本発明の他の特徴によれば、エネルギバッ
テリーは、燃料の供給や反応生成物の排出を行なう駆動
ポンプを備え、この駆動ポンプは、起動時にパワーバッ
テリを電源とすることを特徴とする。また、電気車は、
エアコン用電動機、パワーステアリング用電動機、バキ
ューム用電動機を含む補機類を備え、これらの補機類
は、エネルギーバッテリを電源として駆動される。
【００１１】本発明の他の特徴によれば、電気車が制動
エネルギーを回収する回生モードにあるときは、前記パ
ワーバッテリーへの制動エネルギーの回収効率を高める
ために、前記昇圧回路の動作をオフとし、前記エネルギ
ーバッテリーによる前記パワーバッテリーへの充電を停
止する。
【００１２】並列に接続されたパワーバッテリーとエネ
ルギーバッテリーまたは前記電動機のいずれか２つの電
流もしくは電圧が、バッテリー電流・電圧制御手段によ
って検知、制御され、直流電源としての電圧が所定の範
囲に維持される。また、前記パワーバッテリーの充電量
が所定値以下の時は、前記エネルギーバッテリーから前
記パワーバッテリーへの充電を行ない、前記充電量が該
所定値よりも大きい時は充電を停止する。
【００１３】本発明によれば、電気車の負荷の軽い運転
状態では、電動機の運転に必要な電力は、主としてエネ
ルギーバッテリーから昇圧して供給される。電気車の負
荷が増大し、より大きなパワーが必要になると、主とし
てパワーバッテリーからの電力が三相交流電動機へ供給
される。
【００１４】また、常時一定の出力を発生する低電圧の
エネルギーバッテリーから、昇圧して高電圧のパワーバ
ッテリーへ電力を供給して充電することにより、低負荷
から高負荷まで広範囲にわたる出力要求特性を満足させ
つつ、長期間走行することが可能となる。特に、パワー
バッテリの電力を負荷変動の大きい車両の走行駆動力に
使用し、負荷変動が比較的少ない補機類には長期間にわ
たり一定の出力が得られるエネルギーバッテリの電力を
使用することによって、走行可能距離を延長し、電源装
置のサイズのコンバクト化を図ることができる。また、
低負荷から高負荷まで車両の広範囲の出力要求に応えら
れ、走行特性を改善することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を、図１
の電気車の駆動装置のブロック図に従って説明する。
【００１６】図１において、電気車に搭載された主電源
は、並列に接続されたエネルギバッテリー１とパワーバ
ッテリ２からなる直流電源である。エネルギバッテリー
１としては常時一定の出力を発生する燃料電池、パワー
バッテリ２としては二次電池である鉛電池を用いる。３
はコントローラ１０をバックアップする補助バッテリで
ある。４はエネルギバッテリの電流及び電圧を検出する
エネルギバッテリ電流・電圧検出器、５はパワ−バッテ
リの電流及び電圧を検出するパワ−バッテリ電流・電圧
検出器、６はエネルギバッテリ用のリレ−である。７は
エネルギバッテリー１の電圧を昇圧してパワーバッテリ
２を充電する昇圧回路である。１２は主回路を開閉する
主コンタクタ、１３はパワースイッチング素子を用いて
バッテリー１及び２の直流電力を交流電力に変換するイ
ンバータ、１４は電気車駆動用の三相交流電動機、１５
はキースイッチ、１６は電動機１４の回転数Ｎを検出す
る速度センサである。また、１７（１７ａ，１７ｂ，１
７ｃ）は電流センサーであり、交流電動機１４の１次巻
線に流れる３相交流の１次電流ｉ（ｉu，ｉv，ｉw）を
検出する。１８は、アクセルが踏み込まれているときに
踏み込み量に応じた出力θAを出すアクセルスイッチで
ある。１９は、エネルギバッテリー１への燃料供給や反
応生成物を排出するためのポンプである。
【００１７】昇圧回路７は、エネルギバッテリー１を短
絡するスィッチング用トランジスタ７ｂと、リアクタ７
ａ及び逆流阻止ダイオード７ｃから構成されている。パ
ワ−バッテリ２の定格電圧は３００Ｖ、エネルギバッテ
リー１の定格電圧は４８Ｖであり、昇圧回路７で、エネ
ルギバッテリー１の電圧ＶEをパワ−バッテリ２の定格
電圧ＶPもしくはこれより若干高い電圧まで昇圧するこ
とにより、エネルギバッテリー１でパワ−バッテリ２を
充電すると共に、電気車駆動用の三相交流電動機１４に
対する電源として機能する。
【００１８】コントローラ１０は、回転速度検出手段２
０、一次周波数指令生成手段２２、トルク指令演算手段
３０、アクセル開度演算手段３１、ベクトル制御演算手
段３２、交流電流指令発生手段３３、電流・電圧制御手
段４０、ＰＷＭ信号発生手段４２及びバッテリ電流・電
圧制御手段４４を有する。
【００１９】コントローラ１０は、電動機の回転速度
Ｎ、電動機電流ｉ及びアクセル開度θAを取り込み、ト
ルク指令演算手段３０でトルク指令Ｔｒを演算し、一次
周波数指令生成手段２２で一次角周波数ω1*を演算し、
ベクトル制御演算手段３２で交流電流指令I1を演算す
る。さらに、これらの一次角周波数ω1*、交流電流指令
I1等を用いて、電流・電圧制御手段４０及び交流電流指
令発生手段３３で、電流制御、交流電圧指令演算などの
各処理を実行し、ＰＷＭ信号発生手段４２からＰＷＭ信
号を出力する。このＰＷＭ信号に基づき駆動されるイン
バータ１３により、バッテリー１及び２の直流電圧から
可変周波数、可変電圧の３相交流電圧が形成され、三相
交流電動機１４のトルクが制御される。
【００２０】回転角速度検出手段２０は、速度センサー
１６の出力ＮのＡ相，Ｂ相パルスから交流電動機１４の
回転角速度ωｒ（ω＝２π・Ｎ／６０）を検出する。ト
ルク指令演算手段３０では、アクセル開度演算手段３１
で求められるアクセルの踏み込み量θAに対応した量
と、回転角速度検出手段２０で求められる電動機の回転
角速度ωｒを入力として、三相交流電動機１４に与える
トルク指令τｒが生成される。
【００２１】ベクトル制御演算手段３２は、励磁電動機
指令ｉm及び電動機トルクτMを入力とし、トルク電流指
令Ｉt*を生成する。交流電流指令発生手段３３は、交流
電流指令I1や一次角周波数ω1＊に基づいて、電流・電
圧制御手段４０に対する電流指令ｉ*（ｉu*，ｉv*，ｉw
*）を発生する。電流・電圧制御手段４０は、電流指令
ｉ*及び電動機電流ｉを入力とし、電動機トルクτMを得
るための基準信号Ｅu＊，Ｅv＊，Ｅw＊を生成する。
【００２２】ＰＷＭ信号発生手段４２では、基準信号
（Ｅu＊，Ｅv＊，Ｅw＊）と三角波を比較して、ＰＷＭ
信号を求め、このＰＷＭ信号を基にＰＷＭインバータ１
３のアームを構成する６個パワー素子のゲート信号を形
成する。
【００２３】バッテリ電流・電圧制御手段４４は、バッ
テリ電流・電圧検出器４、５の出力に基づいて、エネル
ギバッテリ１やパワーバッテリ２の電流や電圧が所定の
範囲に維持されるように制御し、この電流や電圧が許容
値を超えた場合あるいは許容値より低下した場合には、
リレー６あるいは主コンタクタ１２のいずれかを開状態
とし、または昇圧回路７を動作させて、各電流や電圧が
許容値になるように制御する。この制御の詳細について
は後で説明する。
【００２４】図２にエネルギバッテリ１の一構成例を示
す。エネルギバッテリは、燃料改質部１００と燃料電池
セル部１２０から構成される。燃料改質部１００では、
メタノールＣＨ3ＯＨ及びまたはメタンＣＨ4と水Ｈ2Ｏ
の改質反応により、Ｈ2ガスを生成する。燃料電池セル
部１１０は、燃料電極１１２、電解１１４、酸素電極１
１６及び出力部１１８を備えており、ポンプ１９によっ
て供給されるＨ2ガスとＯ2ガスを原料として、触媒反応
により出力部１１８に、１セル当たり１Ｗ／ｃｍ2程度
のセル出力が取り出される。また、反応の結果生成され
た水Ｈ2Ｏは、ポンプ１９によって排出される。エネル
ギバッテリ１は原料が供給されるかぎり、常時一定のセ
ル出力が出力部１１８に得られる。ポンプ１９は所定の
条件で、キースィッチ１５のオフの場合も駆動される。
その詳細については後で述べる。
【００２５】図３は、エネルギバッテリ１、パワーバッ
テリーの特性を示すものである。本発明では、パワーバ
ッテリー２の電圧ＶPはエネルギーバッテリー１の昇圧
後の電圧ＶCに比べて、電流の大きい範囲まで高い電圧
を維持するよう構成されている。ただし、無負荷状態で
は、エネルギーバッテリー１の昇圧電圧ＶCがパワーバ
ッテリー２の電圧ＶPよりも高くなるように設定されて
いる。従って、電気車の負荷の軽い運転状態では、電動
機１４の運転に必要な電力は、主としてエネルギーバッ
テリー１から供給される。電気車の負荷が増大し、より
大きなパワーが必要になると、主としてパワーバッテリ
ー２からの電力が電動機１４へ供給される。
【００２６】エネルギーバッテリー１の放電電流は、最
大ＩEMAX以下になるように昇圧回路７で制御される。
【００２７】パワーバッテリー２が放電状態にあるとき
は、エネルギーバッテリー１によりパワーバッテリー２
を充電する。そのためには、昇圧回路７を動作させ、主
コンタクタ１２を開き、エネルギーバッテリー１の電圧
を昇圧してパワーバッテリー２へ電力を供給する。この
とき、バッテリー電流・電圧検出器で検出されるエネル
ギーバッテリー１の電流がＩEMAX以下になるよう、昇圧
回路７でコントロールする。パワーバッテリー１の充電
率が所定値（通常９０〜１００％の範囲内）に達したと
きは、昇圧回路７の動作をオフとし、充電を停止する。
パワーバッテリー２の充電が完了したら、リレー６をを
オフにする。このとき、エネルギーバッテリー１から流
れる電流はＩEMAX以下に制限する。パワーバッテリー２
の充電は電気車がパワーを必要としない状態を選んでお
こなえばよい。
【００２８】コントローラ１０のバッテリー電流・電圧
制御手段４４の動作は、図４に示す通りである。まず、
キースイッチ１５がオフの状態で、パワーバッテリー電
流・電圧検出器５により検知されたパワーバッテリー２
の電圧ＥPが所定の電圧ＥPC以上であるか否かをチェッ
クする（ステップ４０２）。もし、所定の電圧ＥPC以上
である場合には、以下の制御は不要である。
【００２９】もし、パワーバッテリー２の電圧ＥPが所
定の電圧ＥPCに達していない場合には、次に、電気車が
制動エネルギーを回収する回生モードかどうかをチェッ
クする（ステップ４０３）。回生モードにあるときは、
制動エネルギーのパワーバッテリー２への回収効率を高
めるために、昇圧回路７の動作をオフとし、エネルギー
バッテリー１による充電を停止する。電気車が回生モー
ドにないときは昇圧回路７を導通状態にして、パワーバ
ッテリー２を充電する（ステップ４０４〜４０６）。次
に、キースイッチ１５がオンになると、リレー６、主コ
ンタクタ１２を導通状態にして、エネルギーバッテリー
１およびパワーバッテリー２から電動機１４へ電力を供
給する（ステップ４０８〜４１０）。このとき、エネル
ギーバッテリー１から流れる電流はＩEMAX以下に制限す
る。この制御は、バッテリー電流・電圧検出器４によっ
て検出されたバッテリー電流がＩEMAX以下になるよう
に、昇圧回路７を駆動することによってなされる。（ス
テップ４１２〜４１６）。
【００３０】昇圧回路７の動作を図５で説明する。昇圧
回路７が動作状態、すなわちスィッチング用トランジス
タ７ｂが図の（ａ）に示すように所定の周期Ｔ（ｔ1＋
ｔ2）でオン、オフを繰り返す。スィッチング用トラン
ジスタ７ｂがオンのとき、エネルギーバッテリーの電流
ＩEbは、図の（ｂ）に示すように変化し、リアクタ７ａ
を介してエネルギーバッテリーを短絡しトランジスタ７
ｂに流れる電流ＩTは図の（ｃ）に示すようにＩmin,Ｉm
axの間で変化する。スィッチング用トランジスタ７ｂを
オフにしたとき、エネルギーバッテリーの電圧リアクタ
７ａの電圧が重畳され、逆流阻止ダイオード７ｃを介し
てパワーバッテリーに供給される。このときの充電電流
ＩCH，充電電圧ＶCは図の（ｄ），（ｅ）に示すように
変化する。充電電圧ＶCが、パワーバッテリーの電圧ＶP
を超えた高い状態に或るとき充電される。
【００３１】なお、エネルギバッテリＶEと充電電流ＩC
H，充電電圧ＶCの関係は次式の通りである。
【００３２】
【数１】
【００３３】エネルギーバッテリー１が放電状態にあっ
て、電圧が低いときは、昇圧回路７の動作を停止状態に
して、パワーバッテリー２からのみ電動機１４へ電力を
供給する。
【００３４】パワーバッテリー２の充放電状態は、バッ
テリー電流・電圧検出器５で検出され、パワーバッテリ
ー２の電圧ＥPが所定の電圧ＥPC以上となったときは、
昇圧回路７を停止状態とし、エネルギーバッテリー１か
らの充電を停止させる（ステップ４１８〜４２０）。以
下同様の処理により、電気車の電源装置としての、エネ
ルギーバッテリー１及びパワーバッテリー２に関して、
電流、電圧を所定の範囲に維持するような制御がなされ
る。
【００３５】このように、パワーバッテリー２の充電量
が所定値以下の時は、キースイッチ１５がオフであって
も、ポンプ１９を駆動してエネルギーバッテリー１の出
力を発生させて、パワーバッテリー２への充電を行な
い、パワーバッテリー２の充電量が該所定値に達したら
充電を停止する。
【００３６】なお、エネルギーバッテリー１になんらか
の異常等例えば発熱あるいは燃料を補充する必要が生じ
たときは、リレー６をオフにする。
【００３７】図６は、パワーバッテリー２とエネルギー
バッテリー１の充放電特性を示す図である。例えば、パ
ワーバッテリー２の充電率が７５％のときは、エネルギ
ーバッテリー１の電圧が高いため、電流ｉA がエネルギ
ーバッテリー１からパワーバッテリー２へ電流が流れ
る。放電電流ｉA1と充電電流ｉA2が等しくなったところ
で、充電電流と放電電流はバランスする。
【００３８】パワーバッテリー２の充電状態は、バッテ
リー電流・電圧検出器５で検出される。図７は、パワー
バッテリー充電状態の検出方法を示す図であり、ある充
填電流ＩGが流れた時の電圧ＶiGを検出し、パワーバッ
テリーの充電状態を判別する。充填電流ＩG1が流れた時
の電圧がＶiG1aのとき、充電率は７５％であり、電圧が
ＶiG1bのとき、充電率は９５％である。同様に、充填電
流ＩG2が流れた時の電圧がＶiG2aのとき、充電率７５％
であり、電圧がＶiG2bのとき、充電率は９５％である。
パワーバッテリーの充電制御の一例としては、充電率が
７５％以下になったら充電を開始し、充電率が９５％程
度になったら充電を停止するのが良い。
【００３９】なお、本発明の電気車駆動用の電動機とし
ては、交流電動機に代えて、直流電動機を用いてもよ
い。また、直流電源を交流電動機用に、可変電圧、可変
周波数の交流電源に変換する手段としては、インバータ
ー以外の手段を用いても良い。
【００４０】また、バッテリ電流・電圧制御手段４４に
より、エネルギバッテリ１やパワーバッテリ２の電流や
電圧を所定の範囲に維持する制御において、バッテリ電
流・電圧検出器４、５の出力を利用する方法の外に、バ
ッテリ電流・電圧検出器４、５のいずれかの１つの電流
または電圧と、交流電動機１４の１次巻線に流れる１次
電流ｉとから必要な制御情報を演算で求め、制御を行な
ってもよい。例えば、バッテリ電流・電圧検出器４の出
力と、交流電動機１４の１次巻線に流れる１次電流ｉと
によって、交流電動機１４の負荷状態、及び両バッテリ
１、２の電流・電圧の状態がわかるので、上記したのと
同様な制御を行なうことができる。
【００４１】図８は、図１の実施例における、ハイブリ
ッドバッテリのエネルギーバッテリの制御装置部分の他
の実施例を示す図であり、１５はキースイッチ、１９０
はエネルギーバッテリ駆動ポンプ用電動機、２４はＤＣ
−ＤＣコンバータである。また、１２０は、エネルギー
バッテリの負荷を示し、エアコン用電動機１２０ａ、パ
ワーステアリング用電動機１２０ｂ、バキューム用電動
機１２０ｃが含まれる。また、１３０はエネルギーバッ
テリの負荷用リレーを示し、エアコン用電動機リレー１
３０ａ、パワーステアリング用電動機リレー１３０ｂ、
バキューム用電動機リレー１３０ｃが含まれる。さらに
エネルギーバッテリ駆動ポンプ用の電動機リレーとし
て、第一のリレー（ＲＬｆ１）１９０ａ、第二のリレー
（ＲＬｆ２）１９０ｂが含まれる。
【００４２】次に、図８のハイブリッドバッテリの制御
装置部分の動作について説明する。この実施例におい
て、エネルギーバッテリ１の駆動ポンプ１９は、起動時
にパワーバッテリ２を電源とする。図９を参照しながら
動作を説明すると、起動前、キースイッチ１５は、オフ
と成っており、エネルギーバッテリ駆動ポンプ用の電動
機のリレー１９０（第一のリレー１９０ａ、第二のリレ
ー１９０ｂ）は共にオフ状態に有る。起動時、キースイ
ッチ１５がオンになると、第一のリレー１９０ａがオン
になり、パワーバッテリ２から駆動ポンプ１９の電動機
に電力が供給されて、エネルギーバッテリ駆動ポンプ１
９が、エネルギーバッテリすなわち燃料電池に原料を供
給し、その結果エネルギーバッテリ１が出力を発生す
る。これに伴って、第二のリレー（ＲＬｆ２）１９０ｂ
が動作し、エネルギーバッテリ１から駆動ポンプ１９の
電動機に電力を供給するとともに、エネルギーバッテリ
１からパワーバッテリ２に対して充電がなされる。エネ
ルギーバッテリ１が十分な出力を発生するようになった
後、第一のリレー１９０ａはオフになる。
【００４３】このように、エネルギーバッテリ１の起動
後、第二のリレー１９０ｂは自己保持される。その後、
電気車の運転停止の為にキースイッチ１５がオフにされ
ても、このエネルギーバッテリの動作状態は続き、バッ
テリ電流・電圧検出器５で検出されるパワーバッテリ２
の電圧が所定値になる迄、エネルギーバッテリ１からパ
ワーバッテリ２に対して充電が続けられる。
【００４４】エネルギーバッテリ１の負荷、例えばエア
コン用電動機、パワーステアリング用電動機、バキュー
ム用電動機が、それぞれ負荷用のリレー、すなわちエア
コン用電動機リレー１３０ａ、パワーステアリング用電
動機リレー１３０ｂ、バキューム用電動機リレー１３０
ｃを介してエネルギーバッテリ１に接続されている。な
お、各負荷はこのエネルギーバッテリ１に対応するリレ
ーの他に、それぞれの負荷独自に運転停止を制御するリ
レーを備えていることは言うまでもない。
【００４５】これら補機類の負荷に対しては、エネルギ
ーバッテリ１から電力が供給される。これは、パワーバ
ッテリ２の電力を負荷変動の大きい車両の走行駆動力に
使用し、負荷変動が比較的少ない補機類例えばエアコン
には長期間にわたり一定の出力が得られるエネルギーバ
ッテリ１の電力を使用するためである。これによって、
走行可能距離を延長し、電源装置のサイズのコンバクト
化を図ることができる。また、低負荷から高負荷まで車
両の広範囲の出力要求に応えられ、走行特性を改善する
ことができる。
【００４６】なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ２４は、エネ
ルギーバッテリ１の電力で補助バッテリ３を充電する。
この充電の制御は、バッテリ電流・電圧制御手段４４に
よって補助バッテリ３の電圧を監視しながら行われる。
【００４７】図１０は、図１の実施例における、エネル
ギーバッテリ１の制御装置部分の他の実施例を示す図で
あ。この実施例において、エネルギーバッテリ１の駆動
ポンプ１９は、起動時に補助バッテリ３を電源とする。
図１１を参照しながら動作を説明すると、起動前、キー
スイッチ１５は、オフと成っており、エネルギーバッテ
リ駆動ポンプ１９の電動機用のリレー１９０はオフ状態
に有る。起動時、キースイッチ１５がオンになると、リ
レー１９０がオンになり、補助バッテリ３から駆動ポン
プ１９０の電動機に電力が供給されて、駆動ポンプ１９
がエネルギーバッテリすなわち燃料電池に原料を供給
し、その結果エネルギーバッテリ１が出力を発生する。
これに伴って、エネルギーバッテリ１からパワーバッテ
リ２に対して充電がなされる。その後、電気車の運転停
止の為にキースイッチ１５がオフにされても、このエネ
ルギーバッテリの動作状態は続き、バッテリ電流・電圧
検出器５で検出されるパワーバッテリ２の電圧が所定値
になる迄、エネルギーバッテリ１からパワーバッテリ２
に対して充電が続けられる。
【００４８】エネルギーバッテリ１の負荷は図８の場合
と同様、それぞれ負荷用のリレー、すなわちエアコン用
電動機リレー１３０ａ、パワーステアリング用電動機リ
レー１３０ｂ、バキューム用電動機リレー１３０ｃを介
してエネルギーバッテリ１に接続されており、これらの
負荷は、エネルギーバッテリ１から電力が供給される。
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ２４は、エネルギーバッテ
リ１の電力で補助バッテリ３を充電する。この充電の制
御は、パワーバッテリ２に対する場合と同様に、充電バ
ッテリ電流・電圧制御手段４４によって補助バッテリ３
の電圧を監視しながら行われ、キースイッチ１５がオフ
にされても継続し、電圧が所定値になると駆動ポンプ１
９を停止させて終了する。この実施例でも、パワーバッ
テリ２の電力を負荷変動の大きい車両の走行駆動力に使
用し、負荷変動が比較的少ない補機類例えばエアコンに
は、定出力の得られるエネルギーバッテリ１の電力を使
用する。また、この実施例は、エネルギーバッテリ１の
起動時に補助バッテリ３を電源とするがこれは駆動ポン
プ１９による動力消費が比較的少ないときに効果的であ
る。
【００４９】
【発明の効果】本発明によれば、常時一定の出力を発生
するエネルギーバッテリーから、パワーバッテリーへ電
力を昇圧して充電することにより、低負荷から高負荷ま
で広範囲にわたる出力要求特性を満足させつつ、長期間
走行することが可能となる。また、低負荷から高負荷ま
で車両の広範囲の出力要求に応えられ、走行特性を改善
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例になる電気車の駆動制御装置
のブロック図である。
【図２】図１のエネルギバッテリーの一構成例を示す図
である。
【図３】主電源を構成するバッテリーの特性を示す図で
ある。
【図４】図１のバッテリー電流・電圧制御手段の動作を
示すフロー図である。
【図５】昇圧回路の動作を説明する図である。
【図６】パワーバッテリーとエネルギバッテリーの充放
電特性を示す図である。
【図７】パワーバッテリー充電状態の検出方法を示す図
である。
【図８】図１の実施例における、エネルギーバッテリの
制御装置部分の他の実施例を示す図である。
【図９】図８の動作を示すタイムチャートである。
【図１０】図１の実施例における、エネルギーバッテリ
の制御装置部分の他の実施例を示す図である。
【図１１】図１０の動作を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１…エネルギバッテリー、２…パワーバッテリ、３…補
助バッテリ、７…昇圧回路、１２…主コンタクタ、１３
…インバータ、１４…電動機、１５…コントローラ、１
６…速度センサ、１７…電流検出器、１８…アクセルス
イッチ、１９…シフトスイッチ、２０…回転速度検出回
路、３０…トルク指令演算手段、３２…ベクトル制御演
算手段、４０…電動機電流・電圧制御手段、４２…ＰＷ
Ｍ信号発生手段
【手続補正書】
【提出日】平成１３年５月１４日（２００１．５．１
４）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、電動機と、二
次電池からなると共にインバータを介して前記電動機に
接続されたパワーバッテリー、及び燃料電池からなると
共に昇圧回路を介して前記パワーバッテリーに並列接続
されたエネルギーバッテリーから構成された直流電源
と、前記電動機の回転制御用信号を発生する信号発生手
段を含む制御装置と、キースイッチと、前記パワーバッ
テリー，前記エネルギーバッテリー又は前記電動機のい
ずれかの電流若しくは電圧に基づいて前記昇圧回路を制
御すると共に、前記直流電源の電圧を所定の範囲に維持
するバッテリー電流・電圧制御手段と、前記キースイッ
チのオフ時であって、前記パワーバッテリーの充電量が
所定値以下の時、前記エネルギーバッテリーから前記パ
ワーバッテリーへの充電を行なわせると共に、前記充電
量が前記所定値よりも大きい時、前記充電を停止させる
充電制御手段とを備え、前記エネルギーバッテリーは、
燃料供給用及び水循環用の駆動ポンプを有し、前記駆動
ポンプは、起動時に前記パワーバッテリーを電源とする
ことを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１０】本発明の他の特徴は、車両駆動用の三相交
流電動機と、直流電力を可変電圧，可変周波数の交流電
力に変換するインバータと、二次電池からなると共に前
記インバータを介して前記三相交流電動機に接続された
パワーバッテリー、及び燃料電池からなると共に昇圧回
路を介して前記パワーバッテリーに並列接続されたエネ
ルギーバッテリーから構成された直流電源と、前記イン
バータの制御信号を発生する信号発生手段と、キースイ
ッチと、前記パワーバッテリー，前記エネルギーバッテ
リー，前記三相交流電動機又は前記インバータの入力電
流のいずれかの電流若しくは電圧に基づいて前記昇圧回
路を制御すると共に、前記直流電源の電圧を所定の範囲
に維持するバッテリー電流・電圧制御手段と、前記キー
スイッチのオフ時であって、前記パワーバッテリーの充
電量が所定値以下の時、前記エネルギーバッテリーから
前記パワーバッテリーへの充電を行なわせると共に、前
記充電量が前記所定値よりも大きい時、前記充電を停止
させる充電制御手段とを備え、前記エネルギーバッテリ
ーは、燃料供給用及び水循環用の駆動ポンプを有し、前
記駆動ポンプは、起動時に前記パワーバッテリーを電源
とすることにある。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１１】本発明の他の特徴は、電動機と、二次電池
からなると共にインバータを介して前記電動機に接続さ
れたパワーバッテリー、及び燃料電池からなると共に昇
圧回路を介して前記パワーバッテリーに並列接続された
エネルギーバッテリーから構成された直流電源と、前記
電動機の回転制御用信号を発生する信号発生手段を含む
制御装置と、キースイッチと、前記パワーバッテリー，
前記エネルギーバッテリー又は前記電動機のいずれかの
電流若しくは電圧に基づいて前記昇圧回路を制御すると
共に、前記直流電源の電圧を所定の範囲に維持するバッ
テリー電流・電圧制御手段と、前記キースイッチのオフ
時であって、前記パワーバッテリーの充電量が所定値以
下の時、前記エネルギーバッテリーから前記パワーバッ
テリーへの充電を行なわせると共に、前記充電量が前記
所定値よりも大きい時、前記充電を停止させる充電制御
手段とを備え、前記エネルギーバッテリーは、燃料供給
用及び水循環用の駆動ポンプを有し、前記駆動ポンプ
は、起動時に補助バッテリーを電源とすることにある。 ─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１３年５月１４日（２００１．５．１
４）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、電動機と、二
次電池からなると共にインバータを介して前記電動機に
接続されたパワーバッテリー、及び燃料電池からなると
共に昇圧回路を介して前記パワーバッテリーに並列接続
されたエネルギーバッテリーから構成された直流電源
と、前記電動機の回転制御用信号を発生する信号発生手
段を含む制御装置と、キースイッチと、前記パワーバッ
テリー，前記エネルギーバッテリー又は前記電動機のい
ずれかの電流若しくは電圧に基づいて前記昇圧回路を制
御すると共に、前記直流電源の電圧を所定の範囲に維持
するバッテリー電流・電圧制御手段と、前記キースイッ
チのオフ時であって、前記パワーバッテリーの充電量が
所定値以下の時、前記エネルギーバッテリーから前記パ
ワーバッテリーへの充電を行なわせると共に、前記充電
量が前記所定値よりも大きい時、前記充電を停止させる
充電制御手段とを備え、前記エネルギーバッテリーは、
燃料供給用及び水循環用の駆動ポンプを有し、前記駆動
ポンプは、起動時に前記パワーバッテリーを電源とする
ことを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１０】本発明の他の特徴は、車両駆動用の三相交
流電動機と、直流電力を可変電圧，可変周波数の交流電
力に変換するインバータと、二次電池からなると共に前
記インバータを介して前記三相交流電動機に接続された
パワーバッテリー、及び燃料電池からなると共に昇圧回
路を介して前記パワーバッテリーに並列接続されたエネ
ルギーバッテリーから構成された直流電源と、前記イン
バータの制御信号を発生する信号発生手段と、キースイ
ッチと、前記パワーバッテリー，前記エネルギーバッテ
リー，前記三相交流電動機又は前記インバータの入力電
流のいずれかの電流若しくは電圧に基づいて前記昇圧回
路を制御すると共に、前記直流電源の電圧を所定の範囲
に維持するバッテリー電流・電圧制御手段と、前記キー
スイッチのオフ時であって、前記パワーバッテリーの充
電量が所定値以下の時、前記エネルギーバッテリーから
前記パワーバッテリーへの充電を行なわせると共に、前
記充電量が前記所定値よりも大きい時、前記充電を停止
させる充電制御手段とを備え、前記エネルギーバッテリ
ーは、燃料供給用及び水循環用の駆動ポンプを有し、前
記駆動ポンプは、起動時に前記パワーバッテリーを電源
とすることにある。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１１】本発明の他の特徴は、電動機と、二次電池
からなると共にインバータを介して前記電動機に接続さ
れたパワーバッテリー、及び燃料電池からなると共に昇
圧回路を介して前記パワーバッテリーに並列接続された
エネルギーバッテリーから構成された直流電源と、前記
電動機の回転制御用信号を発生する信号発生手段を含む
制御装置と、キースイッチと、前記パワーバッテリー，
前記エネルギーバッテリー又は前記電動機のいずれかの
電流若しくは電圧に基づいて前記昇圧回路を制御すると
共に、前記直流電源の電圧を所定の範囲に維持するバッ
テリー電流・電圧制御手段と、前記キースイッチのオフ
時であって、前記パワーバッテリーの充電量が所定値以
下の時、前記エネルギーバッテリーから前記パワーバッ
テリーへの充電を行なわせると共に、前記充電量が前記
所定値よりも大きい時、前記充電を停止させる充電制御
手段とを備え、前記エネルギーバッテリーは、燃料供給
用及び水循環用の駆動ポンプを有し、前記駆動ポンプ
は、起動時に補助バッテリーを電源とすることにある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 10/44 Ｈ０１Ｍ 10/44 Ａ Ｐ Ｈ０２Ｊ 7/00 Ｈ０２Ｊ 7/00 Ｐ ３０３ ３０３Ｅ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】搭載された直流電源を動力源とする車両駆
    動用の電動機と、前記電動機の回転を制御する信号を発
    生する信号発生手段を含む制御装置を有する電気車の駆
    動装置において、 前記直流電源を、二次電池からなり前記電動機に接続さ
    れたパワーバッテリーと、燃料電池からなり昇圧回路を
    介して前記パワーバッテリーに並列に接続されたエネル
    ギーバッテリーとによって構成し、 前記パワーバッテリー、エネルギーバッテリーまたは電
    動機のいずれかの電流もしくは電圧に基づいて前記昇圧
    回路を制御し、前記直流電源の電圧を所定の範囲に維持
    するバッテリー電流・電圧制御手段と、 前記パワーバッテリーの充電量が所定値以下の時は、前
    記エネルギーバッテリーから前記パワーバッテリーへの
    充電を行ない、前記充電量が該所定値よりも大きい時は
    充電を停止する充電制御手段とを備えた、ことを特徴と
    するハイブリッドバッテリを備えた電気車の駆動装置。
  2. 【請求項２】搭載された直流電源を可変電圧、可変周波
    数の交流電源に変換するインバータと、車両駆動用の三
    相交流電動機と、前記インバータを制御する信号を発生
    する信号発生手段と、キースイッチとを有する電気車の
    駆動装置において、 前記直流電源を、二次電池からなり、前記インバータを
    介して前記三相交流電動機に接続されたパワーバッテリ
    ーと、常時定出力を発生する燃料電池からなり、昇圧回
    路を介して前記パワーバッテリーに並列に接続されたエ
    ネルギーバッテリーとによって構成し、 前記パワーバッテリー、前記エネルギーバッテリーまた
    は前記三相交流電動機又はインバータ入力電流のいずれ
    かの電流もしくは電圧に基づいて、前記昇圧回路を制御
    し、前記直流電源の電圧を所定の範囲に維持する、バッ
    テリー電流・電圧制御手段と、 前記キースイッチのオフ時に、前記パワーバッテリーの
    充電量が所定値以下の時は、前記エネルギーバッテリー
    から前記パワーバッテリーへの充電を行ない、前記充電
    量が該所定値よりも大きい時は充電を停止する、充電制
    御手段とを備えた、ことを特徴とするハイブリッドバッ
    テリを備えた電気車の駆動装置。
  3. 【請求項３】前記昇圧回路を、前記エネルギバッテリー
    を短絡するスィッチング用トランジスタと、リアクタ及
    び逆流阻止ダイオードから構成されている、ことを特徴
    とする請求項１または２記載のハイブリッドバッテリを
    備えた電気車の駆動装置。
  4. 【請求項４】前記バッテリー電流・電圧制御手段は、電
    気車が制動エネルギーを回収する回生モードにあると
    き、前記昇圧回路の動作をオフとし、前記エネルギーバ
    ッテリーによる前記パワーバッテリーへの充電を停止す
    るよう構成されている、ことを特徴とする請求項１、２
    または３に記載のハイブリッドバッテリを備えた電気車
    の駆動装置。
  5. 【請求項５】電気車は、エアコン用電動機、パワーステ
    アリング用電動機、バキューム用電動機を含む補機類を
    備え、これらの補機類は、前記エネルギーバッテリを電
    源として駆動されることを特徴とする請求項１ないし４
    のいずれかに記載のハイブリッドバッテリを備えた電気
    車の駆動装置。
  6. 【請求項６】搭載された主電源からの直流電源を可変電
    圧、可変周波数の交流電源に変換するインバータと、車
    両駆動用の三相交流電動機と、該三相交流電動機の電流
    及び回転速度を検出する電流センサ及び速度センサと、
    アクセル開度及び前記速度センサの出力に基づいて三相
    交流電流指令を発生する交流電流指令発生手段と、前記
    三相交流電流指令と前記三相交流電動機に流れる電流と
    に基づいて前記インバータを制御する信号を発生するＰ
    ＷＭ信号発生手段と、キースイッチを有する電気車の駆
    動装置において、 前記主電源を、二次電池からなり、主コンタクタ及び前
    記インバータを介して前記三相交流電動機に接続された
    パワーバッテリーと、燃料電池からなり、昇圧回路を介
    して前記パワーバッテリーに並列に接続されたエネルギ
    ーバッテリーとによって構成し、 前記パワーバッテリー及び前記エネルギーバッテリーの
    電流を検出する電流センサと、 前記パワーバッテリー、前記エネルギーバッテリーまた
    は前記三相交流電動機またはインバータ入力電流のいず
    れかの電流もしくは電圧に基づいて、前記昇圧回路を制
    御し、前記直流電源の電圧を所定の範囲に維持する、バ
    ッテリー電流・電圧制御手段とを備えた、 前記キースイッチのオフ時に、前記パワーバッテリーの
    充電量が所定値以下の時は、前記エネルギーバッテリー
    から前記パワーバッテリーへの充電を行ない、前記充電
    量が該所定値よりも大きい時は充電を停止する充電制御
    手段とを備えた、ことを特徴とするハイブリッドバッテ
    リを備えた電気車の駆動装置。
  7. 【請求項７】搭載された直流電源を動力源とする車両駆
    動用の電動機と、該電動機の回転を制御する信号を発生
    する信号発生手段とを有する電気車の制御方法であっ
    て、前記直流電源は、二次電池からなり、前記電動機に
    接続されたパワーバッテリーと、常時定出力を発生する
    燃料電池からなり、昇圧回路を介して前記パワーバッテ
    リーに並列に接続されたエネルギーバッテリーと、これ
    らのバッテリーのオンオフを制御するキースイッチとに
    よって構成されたものにおいて、 バッテリー電流・電圧制御手段により、前記パワーバッ
    テリー、前記エネルギーバッテリーまたは前記電動機の
    いずれかの電流もしくは電圧に基づいて、前記昇圧回路
    を制御することにより、前記エネルギーバッテリーから
    前記パワーバッテリーへ充電して前記直流電源の電圧を
    所定の範囲に維持し、 前記キースイッチのオフ時に、前記パワーバッテリーの
    充電量が所定値以下の時は、前記エネルギーバッテリー
    から前記パワーバッテリーへの充電を行ない、前記充電
    量が該所定値よりも大きい時は充電を停止する、ことを
    特徴とするハイブリッドバッテリを備えた電気車の駆動
    制御方法。
  8. 【請求項８】前記エネルギバッテリーは、燃料供給や反
    応生成物を排出するためのポンプ、エアコン用電動機、
    パワーステアリング用電動機、バキューム用電動機を含
    む補機類を備え、これらのポンプや補機類を、前記エネ
    ルギーバッテリを電源として駆動することを特徴とする
    請求項７記載のハイブリッドバッテリを備えた電気車の
    駆動制御方法。
  9. 【請求項９】前記バッテリー電流・電圧制御手段は、電
    気車が制動エネルギーを回収する回生モードにあるとき
    は、前記昇圧回路の動作をオフとし、前記エネルギーバ
    ッテリーによる前記パワーバッテリーへの充電を停止す
    る、ことを特徴とする請求項７または８に記載のハイブ
    リッドバッテリを備えた電気車の駆動制御方法。
  10. 【請求項１０】前記エネルギバッテリの燃料供給反応生
    成物を排出するポンプ、前記ポンプへ電源を供給する車
    両用補助バッテリ、前記補助バッテリ充電用ＤＣ−ＤＣ
    コンバータを備えることを特徴とする請求項１〜７，９
    記載のハイブリッドバッテリを備えた電気車の駆動方
    法。
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