JP2002186195A - 電源装置における電池の切り替え方法 - Google Patents

電源装置における電池の切り替え方法

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JP2002186195A
JP2002186195A JP2000379257A JP2000379257A JP2002186195A JP 2002186195 A JP2002186195 A JP 2002186195A JP 2000379257 A JP2000379257 A JP 2000379257A JP 2000379257 A JP2000379257 A JP 2000379257A JP 2002186195 A JP2002186195 A JP 2002186195A
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Hiroshi Kuromaru
廣志 黒丸
Koji Kuwabara
耕治 桑原
Kuniaki Tauchi
邦明 田内
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池を2次電池でアシストするようにし
た電源装置においては、両電池の電圧や電流の整合のた
めにDC/DCコンバータが用いられているが、このD
C/DCコンバータは内部ロスがあって燃料電池に接続
すると燃費が悪化し、2次電池に接続すると急加速時な
どの瞬間的に大きな電力供給に対応するため大容量が必
要になる。 【解決手段】 燃料電池と2次電池のように発電原理や
特性の異なる複数の電池の接続先を切り替えるスイッチ
を設けてDC/DCコンバータ経由で負荷に接続する電
池を任意に選択できるようにし、負荷への電源供給を停
止した後前記切り替えスイッチで電池の接続先を切り替
え、その後負荷への電源供給を再開するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気自動車におけ
るモータを駆動するための燃料電池(FuelCel
l)や2次電池などの複数の電池を有する電源装置にお
ける電池の切り替え方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】電気自動車などにおいては、発電効率と
出力電力の多さで燃料電池が用いられているが、燃料電
池は始動時や急加速、急発進などの急激な出力変動に追
随することができない。そのため負荷に燃料電池と、鉛
蓄電池やニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素
蓄電池、リチウム蓄電池などの2次電池を並列に接続
し、起動時や急加速、急発進などのように負荷の要求電
力が燃料電池の出力電力より大きいときは2次電池で燃
料電池をアシストし、高速走行時や坂道を下るとき、ま
たはブレーキ時などのように燃料電池出力が負荷の要求
電力を上回るときに2次電池を充電するようにした電源
装置が提案されている。
【0003】このような電源装置における2次電池は、
蓄電量が多ければ出力電圧が高く、放電して蓄電量が少
なくなると出力電圧が低くなり、また効率よく充電する
ためには放電時より電圧を高くする必要があるため、D
C/DCコンバータを用いて電圧を調節し、充放電が効
率よく行われるよう制御することが行われている。
【0004】このようなシステムとしては、例えばTO
YOTA Technical Review Vo
l.50 No.1 Jun.2000の29頁の図7
に、「FCEVシステムの制御」として記されたシステ
ムや、特開2000−12059号公報に開示されたシ
ステムがある。TOYOTA Technical R
eviewに示されたシステムは、図4(A)のよう
に、燃料電池40とモータなどの負荷44をインバータ
43を介して直結し、さらにインバータ43に2次電池
42をDC/DCコンバータ41を介して並列に接続し
たものであり、特開2000−12059号公報に示さ
れたシステムは、図4(B)に示したように、燃料電池
40の出力をDC/DCコンバータ41とインバータ4
3を介して負荷に接続し、さらにDC/DCコンバータ
41と並列に2次電池42をインバータ43に接続した
ものである。
【0005】この図4に示したシステムは、どちらも負
荷44の要求電力が燃料電池40の出力だけで足りると
きは2次電池42が放電しないようにするか、または2
次電池42が充電されるようDC/DCコンバータ41
の出力を制御し、負荷44の要求電力が燃料電池40の
出力だけでは不足する場合は、2次電池42からも電力
が供給されるようDC/DCコンバータ41の出力を制
御する。
【0006】そして図4(A)のシステムは、メイン電
池の燃料電池40と負荷44の間に介在するのはインバ
ータ43のみであるため、燃料電池40の出力がそのま
まインバータ43経由で負荷44に供給され、燃費がよ
い。また図4(B)のシステムは、DC/DCコンバー
タ41の容量を燃料電池40の最大出力に対応させれば
良い。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし図4(A)に示
したシステムは、起動時のように燃料電池40の出力が
小さいときや急発進や急加速が行われるときにDC/D
Cコンバータ41に大電流が流れ、容量の大きなものを
用いる必要があると共に、充電時は燃料電池40側から
2次電池42側へ電気を送る必要があるから双方向のも
のが必要となり、大容量が必要なことと相まって高価に
ならざるを得ない。一方図4(B)のシステムは、燃料
電池40とインバータ43の間にDC/DCコンバータ
41が介在し、燃料電池40が動作中は常時DC/DC
コンバータ41を通して燃料電池40の出力が負荷44
に供給されるため、図4(A)の方式に比べて燃費が悪
くなる。しかしDC/DCコンバータ自体は一方向のも
のでよい。
【0008】このように両方式には一長一短があるた
め、特開2000−36308号公報には、この図4
(B)の方式の欠点を改善することを目的に2次電池を
切り離すスイッチと、燃料電池からDC/DCコンバー
タを通さずに負荷に直接接続するバイパス回路を設け、
負荷の要求電力が燃料電池出力だけでは不足する場合は
2次電池出力も負荷に供給するようにDC/DCコンバ
ータ出力を調節し、燃料電池出力が負荷の要求電力を上
回るか等しい場合は、2次電池が充電を要するかどうか
を検出し、必要な場合はDC/DCコンバータ出力を調
節することで負荷と2次電池の両方に電力を供給し、充
電不要な場合は2次電池を切り離すと同時にDC/DC
コンバータもバイパスして負荷に直接燃料電池出力を接
続するようにしたシステムが示されている。
【0009】このように負荷の要求電力が燃料電池出力
以内の場合、DC/DCコンバータをバイパスすると共
に2次電池を切り離すことで燃料電池とインバータを直
結し、DC/DCコンバータによる効率低下を抑えるこ
とができる。しかしながら2次電池を切り離すというこ
とは充電ができないということであり、さらにこの2次
電池の切り離し中に例えば危険回避のために急加速が必
要になった場合、2次電池接続に時間遅れが生じるから
加速指示の伝達が遅れ、危険回避が間に合わない事態が
生じる可能性がある。
【0010】またこのように運転中に燃料電池や2次電
池の接続を切り替える場合、電流を流したまま切り替え
ると、切り替えスイッチの容量を大きくしなければなら
なくなって高価になると共に大電流のON、OFFで雑
音が発生し、障害の発生するおそれがある。
【0011】上述の事情に鑑み本発明は、燃料電池と2
次電池等の複数の電池とDC/DCコンバータを用い、
燃料電池出力の不足分を2次電池でアシストすると共
に、燃料電池出力に余裕がある場合に2次電池を充電す
るようにした電源装置において、燃料電池や2次電池を
負荷から長時間切り離すようなことをせずに燃料電池の
出力を高効率で負荷に供給できる電源装置における電池
の切り替え方法を提供することが課題である。
【0012】
【課題を解決するための手段】そのため本発明において
は、燃料電池と2次電池などの複数の発電原理や特性の
異なる電池を切り替えスイッチで切り替えられるように
し、この切り替えスイッチの出力側の一方をインバータ
に直結すると共に他方をDC/DCコンバータを介して
インバータに並列に接続し、負荷への電源供給を停止し
た後前記切り替えスイッチで電池の接続先を切り替え、
その後負荷への電源供給を再開するようにした。
【0013】このような方法をとることで、電源装置は
前記図4の(A)と(B)に示したシステムの長所のみ
を備えることができ、負荷に高効率で電力を供給できる
と共に電源装置を安価に提供できる。また、電池の切り
替え時に負荷への電力供給を停止するから、切り替えス
イッチの容量は小さいもので良く、低価格に構成できる
と共に雑音が発生せず、障害発生のおそれのない電源装
置を提供できる。また、切り替えスイッチに半導体スイ
ッチを用いることで電源停止を瞬間的なものにできるか
ら、前記特開2000−36308号公報に示されたシ
ステムのように2次電池を長時間切り離すことが無く、
危険回避のための急加速などにも応じられる電源装置を
提供できる。
【0014】そのため本発明においては、請求項1に記
載したように、発電原理や特性が異なる複数の電池の1
つを負荷に直結し、他の電池をDC/DCコンバータを
介して負荷に並列に接続した電源装置において、負荷へ
の電源供給を停止した後前記DC/DCコンバータへ接
続する電池を切り替え、その後負荷への電源供給を再開
し、負荷に直結する電池とDC/DCコンバータを介し
て負荷へ接続する電池とを、負荷への電源供給を停止し
て切り替えるようにしたことを特徴とする。
【0015】このような手順で電池の切り替えを行うこ
とで、燃料電池と負荷を直結したときは途中に効率を落
とすDC/DCコンバータがないから燃費が向上すると
共に必要に応じて2次電池によるアシストも可能とな
り、また状況に応じて2次電池をDC/DCコンバータ
経由で充電することができる。また2次電池を負荷と直
結したときは、これも途中に効率を落とすDC/DCコ
ンバータがないから2次電池から効率よく電力を供給で
き、かつ、DC/DCコンバータは常に補助的に電力を
供給する側に接続されるから容量の小さな安価なもので
よい。
【0016】また、電池の切り替え時に負荷への電力供
給を停止するから、切り替えスイッチの容量は小さいも
ので良く、低価格に構成できると共に雑音が発生せず、
障害発生のおそれのない電源装置を提供できる。また、
切り替えスイッチに半導体スイッチを用いることで電源
停止を瞬間的なものにできるから、前記特開2000−
36308号公報に示されたシステムのように2次電池
を長時間切り離すことが無く、危険回避のための急加速
などにも応じられる電源装置を提供できる。
【0017】そして負荷への電源供給停止と再開は、請
求項2に記載したように、前記負荷への電源供給停止と
再開は、前記DC/DCコンバータの運転を停止した後
接続した電池を切り離し、その後負荷をコントロールす
るインバータの運転を停止して負荷への電源供給を停止
した後インバータに直結した電池を切り離し、その後前
記DC/DCコンバータに接続していた電池の1つをイ
ンバータに直結して該インバータの運転を再開すること
で負荷への電源供給を開始し、その後前記インバータに
接続していた電池をDC/DCコンバータに接続してD
C/DCコンバータの運転を再開することで行うことを
特徴とする。
【0018】このような手順を踏むことで、負荷への電
力供給を停止する時間はインバータの運転を停止してい
る間だけの短時間にでき、かつ、インバータの運転を停
止する前にDC/DCコンバータの運転を停止している
からそれだけインバータが遮断する電流が少なくて済
み、安全に電池の切り替えを行うことができる。
【0019】そして複数の電池として燃料電池と2次電
池を用いた場合は請求項3に記載したように、前記複数
の電池が燃料電池と2次電池であり、前記燃料電池をD
C/DCコンバータに接続したときはDC/DCコンバ
ータを定電流制御し、前記2次電池をDC/DCコンバ
ータに接続したときはDC/DCコンバータを定電圧制
御することを特徴とする。
【0020】このようにすることで、DC/DCコンバ
ータに接続していない電池から効率よく負荷に電力を供
給でき、電源装置そのものの効率を高めることができ
る。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の
形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、そ
の相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの
発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる
説明例に過ぎない。
【0022】図1は本発明の実施の形態を示した装置の
概略ブロック図であり、図2、図3は本発明における電
源装置の燃料電池と2次電池の接続切り替えの手順を説
明するための図である。図1において、1は燃料電池、
2は2次電池、3は燃料電池1と2次電池2を切り替え
るクロスバスイッチで、有接点コンタクタ、または半導
体スイッチからなる。4は電池から供給された電圧を昇
圧、または降圧するDC/DCコンバータ、5は供給さ
れた直流電圧を3相交流電流に変換してモータなどの負
荷6に供給すると共に、3相交流電圧の振幅(実際には
パルス幅)、及び周波数を調節することによってモータ
で発生するトルクを制御するインバータ、6はモータな
どの負荷である。
【0023】図2、図3において左側に示したのは、図
1の電源装置におけるクロスバスイッチ3の接続状況と
DC/DCコンバータ4、インバータ5の運転状況を模
式的に示した図、右は切り替え手順のフロー図である。
この図2、図3の左側の図において、「FC」は図1に
おける燃料電池1、「BAT」は同じく2次電池2、
「DC/DC」はDC/DCコンバータ4、「INV」
はインバータ5、「a、b、c、d」はクロスバスイッ
チ3の接点を表し、DC/DCコンバータとインバータ
に付けた×印は、運転を停止したことを示す。
【0024】燃料電池1が能力一杯に出力を出せる状態
においては、図1のようにクロスバスイッチ3の接点a
とb、cとdを接続し、燃料電池1をインバータ5に直
結してDC/DC4コンバータによる内部ロスの発生を
防ぐと共に、急加速などで2次電池2のアシストが必要
なときにはすぐ対応できるようにしている。この場合D
C/DCコンバータ4は、燃料電池1の出力電圧がほぼ
一定のため、この電圧に合わせた電圧を出力するよう定
電圧制御されている。
【0025】また負荷6の要求電力が燃料電池1の出力
より少なく、2次電池2が充電可能な場合は、DC/D
Cコンバータ4をインバータ5側から2次電池2側に電
流が流れるよう2次電池2側の電圧を高くすることで2
次電池2の充電が可能となる。
【0026】このような状態から例えば長い坂を上る場
合のように、一定時間以上要求電力が燃料電池1の出力
より大きい場合、クロスバスイッチ3の接点のaとd、
cとbが接続されるように変更して2次電池2をインバ
ータ5に直結すると、2次電池2はDC/DCコンバー
タ4が無くなるからより高効率で電力を供給できる。そ
のため、まず図1の状態からクロスバスイッチ3の接点
のaとd、cとbが接続されるように変更する場合につ
いて、図2に基づいて説明する。
【0027】まずステップS20の定常状態から、ステ
ップS21でDC/DCコンバータ4の運転を停止す
る。次いでステップS22でクロスバスイッチ3の接点
c、dを切り離し、DC/DCコンバータ4と2次電池
2を切り離す。このときDC/DCコンバータ4は運転
を停止しているから、クロスバスイッチ3は支障無くD
C/DCコンバータ4と2次電池2を切り離すことがで
きる。
【0028】そして次のステップS23で、インバータ
5の運転を停止する。この場合も既にDC/DCコンバ
ータ4の運転が停止されているから、インバータ5の遮
断電流はより少ないものとなっている。そして次のステ
ップS24でクロスバスイッチ3の接点a、bを切り離
し、燃料電池1とインバータ5を切り離す。このときイ
ンバータ5は運転を停止しているから、燃料電池1は支
障無く切り離すことができる。
【0029】こうして燃料電池1と2次電池2の切り離
しが終わったら、今度は次のステップS25で2次電池
2とインバータ5が直結するようクロスバスイッチ3の
接点cとbを接続する。そして次のステップS26でイ
ンバータ5の運転を再開し、負荷6を2次電池2の出力
で駆動する。
【0030】そして次のステップS27で燃料電池1と
DC/DCコンバータ4を接続するようクロスバスイッ
チ3の接点aとdを接続し、次のステップS28でDC
/DCコンバータ4の運転を再開して燃料電池1の出力
をDC/DCコンバータ4からインバータ5に供給す
る。
【0031】このようにすることで負荷6への電力供給
が停止するのは、ステップS23からステップS25の
区間だけであり、しかもクロスバスイッチ3の切り替え
を高速で行うようにすることにより、電力の瞬断は体感
できないほどの短時間で行うことができる。またクロス
バスイッチ3の切り替えを、負荷への電力供給を停止し
ておこなうから切り替えスイッチの容量は小さいもので
良く、低価格に構成できると共に雑音が発生せず、障害
発生のおそれのない電源装置を提供できる。また、前記
特開2000−36308号公報に示されたシステムの
ように2次電池を長時間切り離すことが無く、危険回避
のための急加速などにも応じられる電源装置を提供でき
る。
【0032】なお、この図2におけるステップS28の
ように2次電池2をインバータ5に直結すると共に燃料
電池1をDC/DCコンバータ4に接続した場合、2次
電池2は蓄電量によって電圧が変化するので、燃料電池
の発生エネルギーを負荷側へ効率良く伝播させるため、
DC/DCコンバータ4は定電流制御する。またこのス
テップS28の状態は、前記した長い坂を上る場合のよ
うに一定時間以上負荷6の要求電力が燃料電池1の出力
が大きくなったときだけでなく、起動時のように燃料電
池1へ燃料を供給する改質器が充分働けないために燃料
電池1そのものの出力が充分得られない場合にも適用さ
れる。
【0033】次に、図2におけるステップS28の状態
から図1の状態に戻る場合を図3に基づいて説明する。
まず、図2におけるステップS28の状態と同じ状態の
ステップS30から、ステップS31でDC/DCコン
バータ4の運転を停止する。次いでステップS32でク
ロスバスイッチ3の接点a、dを切り離し、DC/DC
コンバータ4と燃料電池1を切り離す。このときDC/
DCコンバータ4は運転を停止しているから、クロスバ
スイッチ3は支障無くDC/DCコンバータ4と燃料電
池1を切り離すことができる。
【0034】そして次のステップS33で、インバータ
5の運転を停止する。この場合も既にDC/DCコンバ
ータ4の運転が停止されているから、インバータ5の遮
断電流はより少ないものとなっている。そして次のステ
ップS34でクロスバスイッチ3の接点c、bを切り離
し、2次電池2とインバータ5を切り離す。このときイ
ンバータ5は運転を停止しているから、2次電池2は支
障無く切り離すことができる。
【0035】こうして燃料電池1と2次電池2の切り離
しが終わったら、今度は次のステップS35で燃料電池
1とインバータ5が直結するようクロスバスイッチ3の
接点aとbを接続する。そして次のステップS36でイ
ンバータ5の運転を再開し、負荷6を燃料電池1の出力
で駆動する。
【0036】そして次のステップS37で2次電池2と
DC/DCコンバータ4を接続するようクロスバスイッ
チ3の接点cとdを接続し、次のステップS38でDC
/DCコンバータ4の運転を再開して2次電池2の出力
をDC/DCコンバータ4からインバータ5に供給す
る。
【0037】このようにすることで負荷6への電力供給
が停止するのは、ステップS33からステップS35の
区間だけであり、しかもクロスバスイッチ3の切り替え
を高速で行うようにすることにより、電力の瞬断は体感
できないほどの短時間で行うことができる。またクロス
バスイッチ3の切り替えを、負荷への電力供給を停止し
ておこなうから切り替えスイッチの容量は小さいもので
良く、低価格に構成できると共に雑音が発生せず、障害
発生のおそれのない電源装置を提供できる。また、前記
特開2000−36308号公報に示されたシステムの
ように2次電池を長時間切り離すことが無く、危険回避
のための急加速などにも応じられる電源装置を提供でき
る。
【0038】
【発明の効果】以上記載の如く請求項1に記載した発明
によれば、負荷への電源供給を停止した後前記DC/D
Cコンバータへ接続する電池を切り替え、その後負荷へ
の電源供給を再開することで、燃料電池と負荷を直結し
たときは途中に効率を落とすDC/DCコンバータがな
いから燃費が向上すると共に必要に応じて2次電池によ
るアシストも可能となり、また状況に応じて2次電池を
DC/DCコンバータ経由で充電することができる。ま
た2次電池を負荷と直結したときは、これも途中に効率
を落とすDC/DCコンバータがないから2次電池から
効率よく電力を供給でき、かつ、DC/DCコンバータ
は常に補助的に電力を供給する側に接続されるから容量
の小さな安価なものでよい。また、電池の切り替え時に
負荷への電力供給を停止するから、切り替えスイッチの
容量は小さいもので良く、低価格に構成できると共に雑
音が発生せず、障害発生のおそれのない電源装置を提供
できる。また、切り替えスイッチに半導体スイッチを用
いることで電源停止を瞬間的なものにできるから2次電
池を長時間切り離すことが無く、危険回避のための急加
速などにも応じられる電源装置を提供できる。
【0039】そして請求項2に記載した発明によれば、
負荷への電力供給を停止する時間はインバータの運転を
停止している間だけの短時間にでき、かつ、インバータ
の運転を停止する前にDC/DCコンバータの運転を停
止しているからそれだけインバータが遮断する電流が少
なくて済み、安全に電池の切り替えを行うことができ
る。
【0040】そして請求項3に記載した発明によれば、
複数の電池が燃料電池と2次電池であり、前記燃料電池
をDC/DCコンバータに接続したときはDC/DCコ
ンバータを定電流制御し、前記2次電池をDC/DCコ
ンバータに接続したときはDC/DCコンバータを定電
圧制御することで、DC/DCコンバータに接続してい
ない電池から効率よく負荷に電力を供給でき、電源装置
そのものの効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態を示した装置の概略ブロ
ック図である。
【図2】 本発明における電源装置の燃料電池と2次電
池の接続切り替えの手順を説明するための図である。
【図3】 本発明における電源装置の燃料電池と2次電
池の接続切り替えの手順を説明するための図である。
【図4】 従来の電源装置を説明するための図である。
【符号の説明】
1 燃料電池 2 2次電池 3 クロスバスイッチ 4 DC/DCコンバータ 5 インバータ 6 負荷
フロントページの続き (72)発明者 田内 邦明 広島市西区観音新町四丁目6番22号 三菱 重工業株式会社広島研究所内 Fターム(参考) 5G003 AA05 AA07 BA01 CA02 CA12 DA05 DA16 FA06 GB03 GB06

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 発電原理や特性が異なる複数の電池の1
    つを負荷に直結し、他の電池をDC/DCコンバータを
    介して負荷に並列に接続した電源装置において、 負荷への電源供給を停止した後前記DC/DCコンバー
    タへ接続する電池を切り替え、その後負荷への電源供給
    を再開し、負荷に直結する電池とDC/DCコンバータ
    を介して負荷へ接続する電池とを、負荷への電源供給を
    停止して切り替えるようにしたことを特徴とする電源装
    置における電池の切り替え方法。
  2. 【請求項2】 前記負荷への電源供給停止と再開は、前
    記DC/DCコンバータの運転を停止した後接続した電
    池を切り離し、その後負荷をコントロールするインバー
    タの運転を停止して負荷への電源供給を停止した後イン
    バータに直結した電池を切り離し、その後前記DC/D
    Cコンバータに接続していた電池の1つをインバータに
    直結して該インバータの運転を再開することで負荷への
    電源供給を開始し、その後前記インバータに接続してい
    た電池をDC/DCコンバータに接続してDC/DCコ
    ンバータの運転を再開することで行うことを特徴とする
    請求項1に記載した電源装置における電池の切り替え方
    法。
  3. 【請求項3】 前記複数の電池が燃料電池と2次電池で
    あり、前記燃料電池をDC/DCコンバータに接続した
    ときはDC/DCコンバータを定電流制御し、前記2次
    電池をDC/DCコンバータに接続したときはDC/D
    Cコンバータを定電圧制御することを特徴とする請求項
    1に記載した電源装置における電池の切り替え方法。
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