JP2002281609A

JP2002281609A - 複合２次電池回路および回生制御システム

Info

Publication number: JP2002281609A
Application number: JP2001081613A
Authority: JP
Inventors: Jiro Ouchi; 二郎大内; Masayuki Hattori; 正行服部
Original assignee: Tohoku Ricoh Co Ltd
Current assignee: Tohoku Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2002-09-27

Abstract

(57)【要約】【課題】回生エネルギが有効に活用でき、２次電池やコ
ンデンサの破損が無く、２次電池寿命を伸ばすことがで
き、かつ低電圧でも高速運転可能な感電の危険のない低
コストの制御を可能にし、２次電池の充電時間を短くで
きる。【解決手段】回生可能な負荷装置Ｂと、負荷装置Ｂから
の電気エネルギーを蓄電する複合２次電池回路Ａとを備
える。複合２次電池回路Ａは、２次電池１とコンデンサ
２とが並列に接続され、双方向性のスイッチング素子３
が２次電池１とコンデンサ２とを接続し、スイッチング
素子３を駆動する充放電制御回路１０と、検出制御回路
２０とを有して成る。検出制御回路２０は、２次電池１
およびコンデンサ２の状態を検知し、その状態に応じた
検知信号を電流指令Ｉc として充放電制御回路２０に出
力し、スイッチング素子３を制御する。更に、複合２次
電池と負荷装置との間には、双方向型昇降圧チョッパを
設けた構成としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気自動車の駆動
モータなどの負荷装置から電気エネルギーを回収するた
めの複合２次電池回路および回生制御システムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年においては環境問題から、電気自動
車やハイブリッド自動車を始めとした各種電動機器が開
発導入されて来ている。このような電動機器は、従来の
化石燃料を使用する内燃機関よりクリーンな電気エネル
ギーを使用する。このような電動機器において、エネル
ギーの有効活用の面から、電動機器からの回生エネルギ
ーを可能な限り利用することが望まれるようになってき
た。

【０００３】従来の回生制御システム５０を図８に示
す。図８において、２次電池（バッテリ）５１により、
モータ５２等の回生可能な負荷装置を制御する場合、電
池の過充電を軽減するため、２次電池５１と並列にコン
デンサ５３が接続される。充電器５４は、２次電池５１
が放電した場合に、商用電源あるいは他の電源より充電
する回路である。また、このコンデンサ５３は耐圧等の
問題から複数個直列に使用されており、コンデンサの電
圧バランスが問題となるような場合には、各コンデンサ
５３と並列に電圧バランス回路５５などが設けられるこ
ともある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の回生制御システム５０においては、２次電池５
１で動作させる回生が可能な負荷、例えばモータ５２等
を負荷とする電動機器において回生制御を行おうとした
場合、頻繁に２次電池５１への大電流の充放電が行われ
るようになる。このため、２次電池５１の寿命が短くな
るという問題があった。また、急激な回生電流の繰り返
しにより、２次電池５１が過充電となり破損するような
問題もあった。さらには、回生電流によってモータ５２
から２次電池へ大電流の充電電流が流れ、急速な大電流
による充電で２次電池５１の可逆化学反応が追随不能と
なり、ジュール熱等を発生して２次電池を破損に至らし
めるという問題もあった。

【０００５】そこで、このような問題を回避するため、
従来方式にあっては、２次電池５１に並列にコンデンサ
５３を挿入する方法が取られる場合があったが、この場
合についても基本的に上記の問題が無くなるわけではな
く、過充電の場合には２次電池５１やコンデンサ５３が
破損するという問題が発生していた。

【０００６】また、従来の制御回路５６等は、回生可能
な制御回路の場合は、電圧変換は一方からの昇圧、ある
いは降圧のいずれかのものしか存在しなかった。また、
昇降圧の可能な制御回路の場合は、電流の方向がいづれ
か一方のみで回生の制御はできないものであった。

【０００７】このため、従来の制御回路で双方向の回生
制御を行わせようとした場合には、複数の制御回路を用
意して、モータの電流の方向を検知して、電流の方向に
合わせて制御回路を切り替えるなどの、複雑な回路構成
を必要とするもので、制御回路も高価となり、信頼性が
悪くなるという欠点があった。このような、昇圧、降圧
をおこなうことができ、かつ回生制御可能なように電流
に双方向性を持たせる電力制御回路を単一の回路で実現
した例としては、先願の特願２０００−８１０６８以外
に存在しなかった。

【０００８】例えば、特開平１１−１２２７０９号公報
に記載のように、回生が可能なハイブリッド方式を含め
た電気自動車にあっては、回生が可能な双方向性の回路
を採用するが、従来の回路では同時に昇降圧機能を持た
せることが出来ないため、高速運転にするにはモータを
高速回転さるため、２次電池電圧を高くするのがこれま
での一般的な方式であった。この場合には、それを駆動
する２次電池５１を数百Ｖの高電圧にすることが必要に
なり、これに並列接続されるコンデンサも必然的に耐圧
の高いものが必要となっていた（例えば、文献PE96-4「
新しい物理電池ECS を応用したハイブリッド式電気自動
車の基礎的な研究」）。

【０００９】ところが、このような電圧の高い制御回路
は人体に感電の危険があるばかりでなく、耐圧の高いコ
ンデンサは形状が大きなものとなり、小型化が出来な
い、またコストが高くなり、さらには過充電の場合の破
損が低電圧の場合よりも危険になるなどの問題があるも
のであった。特に、コンデンサとして最近は電気２重層
コンデンサの採用が検討されるようになって来ている
が、周知の通り、電気２重層コンデンサは大容量のもの
が出来る反面、耐圧が２〜４Ｖ程度と低いものなので、
このような高圧回路へ採用する場合には、耐圧を満足す
るように複数個のコンデンサを多数直列接続する必要が
あった。そのため、電圧の高い回路の場合には多数の電
気２重層コンデンサが必要となるが、電気２重層コンデ
ンンサは価格が高く、多数のコンデンンサを使用するこ
とでそれだけ高価な装置となるものであった。

【００１０】さらには、このような従来の回生方式の場
合、たとえば、昇圧が可能な回路とした場合、モータか
らの電圧が２次電池電圧より高い場合のみにしかエネル
ギーが回生出来ず、有効なエネルギーの回生が行われな
い欠点があった。一方、降圧にのみよる回生方式の場合
には、モータへの電圧が電池電圧より低くなり、高速運
転はできないという問題があった。

【００１１】本発明は、このような従来の課題に着目し
てなされたもので、入力側の電池電圧と負荷との関係が
いかなる条件であっても回生エネルギを有効に活用で
き、かつ低電圧でも高速運転可能な感電の危険のない制
御を可能にし、２次電池やコンデンサの破損が無く、２
次電池寿命を伸ばすことができ、さらに２次電池の充電
時間をも短くできる低コストの複合２次電池回路、およ
び回生制御システムを提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の本発明に係る複合２次電池回路は、２次
電池と、前記２次電池と並列に接続されたコンデンサ
と、前記２次電池と前記コンデンサとを接続する双方向
性のスイッチング素子と、前記スイッチング素子を制御
する制御回路とを有し、前記制御回路は、前記２次電池
および前記コンデンサの状態を検知し、その状態に応じ
た検知信号を電流指令として前記スイッチング素子を制
御することを特徴とする。上記構成によれば、大電流急
速充電となるような回生時においても、２次電池の充電
状態に応じた充放電電流の設定が可能になり、２次電池
やコンデンサの破損を防止できる。

【００１３】請求項２の本発明に係る複合２次電池回路
は、２次電池と、前記２次電池と並列に接続されたコン
デンサと、前記２次電池と前記コンデンサとを接続する
双方向性のスイッチング素子と、前記スイッチング素子
を駆動する充放電制御回路と、前記２次電池および前記
コンデンサの電圧および電流を検知する検出制御回路と
を有し、前記検出制御回路は、前記２次電池および前記
コンデンサの状態を検知し、その状態に応じた検知信号
を電流指令として前記充放電制御回路に出力し、前記ス
イッチング素子を制御することを特徴とする。上記構成
によれば、２次電池とコンデンサとの間に双方向スイッ
チング素子による充放電制御回路を設けることにより、
大電流急速充電となるような回生時においても、２次電
池の充電状態に応じた充放電電流の設定が可能になり、
２次電池やコンデンサの破損を防止できる。

【００１４】請求項３の本発明に係る複合２次電池回路
は、請求項１または２の複合２次電池回路において、前
記２次電池および前記コンデンサの状態に応じた検知信
号は、前記２次電池および前記コンデンサの電流、電
圧、温度または等価抵抗の信号であることを特徴とす
る。上記構成によれば、双方向のスイッチング素子を制
御する電流指令信号を２次電池およびコンデンサの各状
態を検知して合成するようにしたので、最適な電流指令
信号を得ることが可能となり、ジュール熱などによる２
次電池の破壊を防止できる。

【００１５】請求項４の本発明に係る複合２次電池回路
は、請求項１，２または３の複合２次電池回路におい
て、前記コンデンサは複数の電気２重層コンデンサから
成ることを特徴とする。上記構成によれば、容量の大き
な電気２重層コンデンサを用いることにより、大電流急
速充電が可能となり、従来例では８〜１０時間を必要と
していた充電時間を、例えば１０〜３０分程度で充電可
能となる。

【００１６】請求項５の本発明に係る複合２次電池回路
は、請求項４の複合２次電池回路において、前記複数の
電気２重層コンデンサはそれぞれに並列に電圧バランス
回路を備えていることを特徴とする。上記構成によれ
ば、電気２重層コンデンサのバラツキを均等にすること
が可能となり、電気２重層コンデンサのバラツキによる
破損を防止できる。

【００１７】請求項６の本発明に係る複合２次電池回路
は、請求項４または５の複合２次電池回路において、前
記２次電池の電圧は５０Ｖ以下であることを特徴とす
る。上記構成によれば、高価な電気２重層コンデンサの
数を少なくすることが可能となり、低コストの制御シス
テムを実現できるとともに、２次電池の電圧が低いの
で、感電する危険がなく安全性を高めることが可能とな
る。

【００１８】請求項７の本発明に係る回生制御システム
は、回生可能な負荷装置と、前記負荷装置からの電気エ
ネルギーを蓄電する複合２次電池回路とを備え、前記複
合２次電池回路は請求項１，２，３，４，５または６の
複合２次電池回路から成ることを特徴とする。上記構成
によれば、大電流急速充電となるような回生時において
も、２次電池の充電状態に応じた充放電電流の設定が可
能になり、２次電池やコンデンサの破損がなく、負荷装
置を回生することができる。

【００１９】請求項８の本発明に係る回生制御システム
は、請求項７の回生制御システムにおいて、前記負荷装
置と前記複合２次電池回路との間に、双方向型昇降圧チ
ョッパ回路が前記複合２次電池回路に入力端側を接続
し、前記負荷装置に出力端側を接続して設けられている
ことを特徴とする。双方向型昇降圧チョッパ回路には、
先願である特願２０００―８１０６８に記載の「双方向
型昇降圧チョッパ回路」を好適に用いることができる。
上記構成によれば、双方向型昇降圧チョッパと複合２次
電池回路とを組み合わせた構成としたことにより、モー
タの電圧が２次電池よりも低いような低速運転の場合
や、高速運転で高い電圧を発生する場合の、両者いずれ
の場合でも双方向の昇降圧チョッパのため、回生を行う
ことができるので、回生エネルギを有効に活用すること
が可能となる。

【００２０】請求項９の本発明に係る回生制御システム
は、請求項８の回生制御システムにおいて、前記双方向
型昇降圧チョッパ回路は、前記負荷装置の駆動時におい
ては前記２次電池の電圧を昇圧または降圧して前記負荷
装置を駆動し、前記負荷装置の回生時にはその負荷装置
の逆起電力を昇圧または降圧して前記２次電池を充電す
ることを特徴とする。上記構成によれば、正逆転運転さ
れるような電動車にあっても回生エネルギーを有効にす
ることが可能となり、エネルギー効率の高い装置を実現
できる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の第１
および第２の実施の形態について説明する。図１〜図３
は、本発明の第１の実施の形態を示している。図１に示
すように、回生制御システムが、回生可能な負荷装置Ｂ
と、負荷装置Ｂからの電気エネルギーを蓄電する複合２
次電池回路Ａとから構成されている。回生制御システム
には、さらに、複合２次電池回路Ａに充電するための充
電器Ｃが備えられている。

【００２２】複合２次電池回路Ａは、２次電池１と、２
次電池１と並列に接続されたコンデンサ２と、２次電池
１とコンデンサ２との間に直列に接続された双方向性の
スイッチング素子３と、スイッチング素子３を制御する
充放電制御回路１０と、２次電池１およびコンデンサ２
の電圧および電流を検出する検出制御回路２０とを有し
ている。負荷装置Ｂは、例えば、ＤＣモータから成る。
検出制御回路２０には、２次電池１の電流検出線４と、
電圧検出線５と、コンデンサ２の電圧検出線６とが接続
されている。

【００２３】複合２次電池回路Ａに使用される２次電池
１は、一般的にはコストとの兼ね合いから鉛蓄電池が使
用されるが、より高性能なリチウムイオン電池を使用し
てもよい。また、コンデンサ２は、可能な限り大容量の
ものが望ましく、電解コンデンサや、後述する電気２重
層コンデンサが使用される。

【００２４】双方向性のスイッチング素子３は、図２
（ａ）に示すように、２個のトランジスタで構成しても
よいし、図２（ｂ）に示すように、ＦＥＴ（電界効果ト
ランジスタ、あるいはＩＧＢＴ絶縁ゲートバイポーラト
ランジスタでも良い）とダイオードとで構成してもよ
い。また図２（ｃ）に示すように、ＩＧＢＴを直列にし
た回路でも良い。

【００２５】充放電制御回路１０は、検出制御回路２０
からの電流指令信号Ｉc によりスイッチング素子３に駆
動信号を発生するもので、図３に示すように、例えば、
オペアンプ１１と、三角波発生器１２と、ナンドゲート
１３と、ドライバ１４とにより構成されている。充放電
制御回路１０は、電流指令信号Ｉc をオペアンプ１１で
必要レベルに増幅し、三角波発生器１２によりＰＷＭ
（パルスウィドゥスモジュレーション;Pulse Width Mod
ulation）波とし、ＰＷＭ制御を行うものである。充放
電制御回路１０は、三角波発生器１２の出力をナンドゲ
ート１３でオン／オフ制御を行い、その出力信号でドラ
イバ１４によりスイッチング素子３を駆動するようにな
っている。

【００２６】充放電制御回路１０に電流指令信号Ｉc を
出力する検出制御回路２０は、図３に示すように、例え
ば、ＣＰＵ２１がそれぞれ入力インターフェース２２と
出力インターフェース２３を備えて成っている。入力イ
ンターフェース２２は、電流検出用コンパレータ２４、
電池電圧検出用コンパレータ２５およびコンデンサ電圧
検出用コンパレータ２６と接続されている。電流検出用
コンパレータ２４、電池電圧検出用コンパレータ２５お
よびコンデンサ電圧検出用コンパレータ２６には、それ
ぞれの状態の検知信号としての電流、電圧を検出するた
めに、それぞれ電流検出線４、電圧検出線５，６が接続
されており、電流検出線４には電流を検出するための検
出コイル４ａやセンス抵抗４ｂ等が使用される。さら
に、２次電池１やコンデンサ２にサーミスタ等の温度セ
ンサを取り付け、２次電池１やコンデンサ２の温度を電
流に変換して検出することも可能である。以上の構成に
おいて、充放電制御回路１０内のＰＷＭ制御は、検出制
御回路２０内のＣＰＵで行わせることも可能であり、そ
のような構成であっても良い。

【００２７】検出制御回路２０は、電流検出用コンパレ
ータ２４、電池電圧検出用コンパレータ２５およびコン
デンサ電圧検出用コンパレータ２６で検出した各部の電
流、電圧をＣＰＵ２１が判断し、スイッチング素子３の
制御を行うための電流指令信号Ｉc を、出力インターフ
ェース２３を介して信号線７により充放電制御回路１０
に出力する。検出制御回路２０は、必要に応じて、スイ
ッチング素子３の駆動を停止することができるように、
オン／オフ制御機能を備えており、オン／オフ制御は、
出力インターフェース２３を介して充放電制御回路１０
のナンドゲート１３へ信号線８により直接入力するよう
になっている。さらに、検出制御回路２０は、出力イン
ターフェース２３を介して信号線９によりＳＷ回路に接
続されており、図示しないソレノイド等により、ＳＷ
１，ＳＷ２をオン／オフすることができるようになって
いる。

【００２８】次に、上述のように構成された複合２次電
池回路Ａの動作を図１〜図３を参照して説明する。ま
ず、初期状態においては、２次電池１とコンデンサ２と
は完全に放電された状態なので、電圧検出線５，６を通
じてこの状態が検出制御回路２０で判断され、信号線９
を経由してＳＷ回路のＳＷ１がオンに、ＳＷ２はオフと
なり、充電器Ｃより複合２次電池回路Ａに充電電流が流
れるようになる。これと同時に、検出制御回路２０から
充放電制御回路１０へ電流指令Ｉc が出力され、検出制
御回路２０からスイッチング素子３へ駆動電流が流れて
スイッチング素子３がオン状態となり、２次電池１の充
電が開始される。この場合に、電流検出線４により２次
電池１へ流れる充電電流が検出され、その値は最適にな
るように制御される。

【００２９】次いで、２次電池１とコンデンサ２が満充
電になると、電圧検出線５，６を通じてこの状態が検出
制御回路２０で判断され、信号線９を経由してＳＷ回路
のＳＷ１がオフとなり充電が停止される。次に、ＳＷ２
がオンされて、複合２次電池回路Ａから負荷装置Ｂへの
電力供給が行われる。回生動作が全くない場合には、当
初の負荷装置Ｂへの電力供給はコンデンサ２の放電よっ
て行われ、コンデンサ２の放電後は２次電池１からのエ
ネルギーがなくなるまで行われる。２次電池１からの放
電は、スイッチング素子３を介して行われるので、図３
（ａ）のスイッチング素子３を使用している場合には一
方のＦＥＴを通して行われ、図３（ｂ）のスイッチング
素子３を使用している場合にはダイオードを通して行わ
れる。

【００３０】回生エネルギーが発生している場合には、
負荷装置Ｂより複合２次電池回路Ａへ電流が流れるが、
電圧検出線５，６で２次電池１とコンデンサ２の電圧が
検出されるので、コンデンサ２の電圧が２次電池１の電
圧より高く、しかもコンデンサ２の電圧が規定値より低
い場合には、検出制御回路２０より充放電制御回路１０
へオフ信号が出され、スイッチング素子３をオフにし
て、コンデンサ２に優先的に充電するようにする。この
回生動作中に非回生動作となった場合には、スイッチン
グ素子３の電圧降下により、コンデンサ２からのエネル
ギーが優先的に供給され、非回生動作を行う。このよう
に、複合２次電池回路Ａでは、コンデンサ２の充放電が
繰り返し行われ、２次電池１の充放電回数が少なくなる
ように作用する。

【００３１】負荷装置Ｂの回生エネルギーによりコンデ
ンサ２が満充電までに充電されると、検出制御回路２０
は、電圧検出線６を介してコンデンサ２の電圧が規定値
より高くなったことを検知し、２次電池１の電圧が規定
値よりより低い場合には、電流指令Ｉc を充放電制御回
路１０に出力し、スイッチング素子３をオンにして回生
エネルギーで２次電池１を充電するようにする。さら
に、２次電池１とコンデンサ２の電圧が規定値より高く
なるような回生エネルギーが発生した場合には、充放電
制御回路１０が図示しない表示部に表示し、操作者が余
分な回生エネルギーを発生させないように注意を促す。

【００３２】上述したように、本発明の回生制御システ
ムの複合２次電池回路Ａでは、２次電池１とコンデンサ
２との間に双方向スイッチング素子３を設け、電流指令
信号Ｉc により、スイッチング素子を２次電池の充電状
態に応じて充放電電流を制御するように動作させる構成
となっている。このため、過大な回生電流があっても、
２次電池を破損させないように動作させることができ
る。

【００３３】次に本発明の第２の実施の形態について説
明する。図４〜図７は、本発明の第２の実施の形態を示
している。図４に示すように、回生制御システムが、上
述した第１の実施の形態の回生制御システムにおける複
合２次電池回路Ａと負荷装置Ｂとの間に双方向型昇降圧
チョッパＤを設けて成っている。回生制御システムは、
さらに、双方向型昇降圧チョッパＤと複数の電気２重層
コンデンサ等によるコンデンサＣ0 とを有している。図
４〜図６において、複合２次電池回路Ａ、負荷装置Ｂ、
充電器Ｃなど、第１の実施の形態の回生制御システムと
同一の部材には、同一の符号を付し、重複した説明を省
略する。

【００３４】図５は、双方向型昇降圧チョッパを示すも
ので、複合２次電池回路Ａに入力端側を接続するととも
に出力端側を負荷装置Ｂに接続して成る。双方向型昇降
圧チョッパ回路は、スイッチング素子とダイオードを並
列に接続した複数のスイッチング回路と、スイッチング
回路を２個接続したカスコード回路とを有する。双方向
型昇降圧チョッパ回路は、負荷装置Ｂの駆動時において
は複合２次電池回路Ａの電圧を昇圧または降圧して負荷
装置Ｂを駆動し、負荷装置Ｂの回生時には負荷装置Ｂの
逆起電力を昇圧または降圧して複合２次電池回路Ａを充
電するようになっている。

【００３５】図５（ａ）に示す構成では、第１のスイッ
チング回路Ｓ１と第２のスイッチング回路Ｓ２とを縦続
接続して第１のカスコード回路となし、第３のスイッチ
ング回路Ｓ３と第４のスイッチング回路Ｓ４とを縦続接
続して第２のカスコード回路となし、第１のカスコード
回路と第２のカスコード回路との中点をインダクタＬを
介して接続し、第１のカスコード回路のコレクタを入力
端とし、第２のカスコード回路のコレクタを出力端と
し、入力端側と出力端側にはそれぞれコンデンサＣ1,Ｃ
2 が接続されている。コンデンサＣ1,Ｃ2 は、複合２次
電池回路Ａおよび負荷装置Ｂと並列に接続される。そし
て、これらのスイッチング回路Ｓ１〜Ｓ４のタイミング
を制御回路Ｈで制御するように構成されている。

【００３６】このように構成された双方向型昇降圧チョ
ッパＤ１は、複合２次電池回路Ａの２次電池１から負荷
装置Ｂ、および負荷装置Ｂから２次電池１への双方向の
昇圧、降圧が可能なチョッパ回路となっている。双方向
性昇降圧チョッパＤ１は、通常はコンデンサＣ1,Ｃ2 に
蓄えられた電力によって双方向型昇降圧チョッパ回路が
動作して、回生可能な負荷装置Ｂを制御するように動作
し、コンデンサＣ1,Ｃ2 の電力が少なくなった場合に
は、各部の必要な電流電圧を検知し整合された電流指令
信号Ｉc により、２次電池１からの電力が供給されるよ
うに複合２次電池回路Ａが動作する。

【００３７】モータが高速運転から制動がかけられた場
合には、双方向型昇降圧チョッパＤ１は双方向性のた
め、そのまま優先的にコンデンサＣ1,Ｃ2 に回生エネル
ギーとなって充電されるが、コンデンサＣ1,Ｃ2 の容量
を越える回生エネルギーが発生した場合には、複合２次
電池回路Ａの電流指令Ｉc により２次電池１の充電が行
われるよう動作する。この場合、チョッパ回路は双方向
性の昇降圧が可能なため、負荷装置Ｂのモータ電圧が２
次電池１の電圧よりも低い条件で制動が必要になった場
合でも、回生エネルギーがコンデンサと電池側に有効に
回生される。

【００３８】図５（ｂ）に示す双方向型昇降圧チョッパ
Ｄ２は、第１のスイッチング回路Ｓ１と第２のスイッチ
ング回路Ｓ２とを縦続接続して第１のカスコード回路と
なし、第３のスイッチング回路Ｓ３と第４のスイッチン
グ回路Ｓ４とを縦続接続して第２のカスコード回路とな
し、第５のスイッチング回路Ｓ５と第６のスイッチング
回路Ｓ６とを縦続接続して第３のカスコード回路とな
し、第１のカスコード回路と第２のカスコード回路およ
び第３のカスコード回路とを並列に接続し、第１のカス
コード回路の中点を第１のインダクタＬ１を介して入力
側と接続し、第１のカスコード回路と第２のカスコード
回路との間にコンデンサＣ２を並列に接続し、第２のカ
スコード回路の中点と第３のカスコード回路の中点との
間を、第２のインダクタＬ２に直列に接続された負荷装
置Ｂを介して接続したものである。負荷装置Ｂは、例え
ば、ＤＣモータから成る。

【００３９】このように構成された双方向型昇降圧チョ
ッパＤ２は、双方向型昇降圧チョッパＤ１と同様に、通
常はコンデンサに蓄えられた電力によって双方向型昇降
圧チョッパ回路が動作し、回生可能な負荷装置Ｂを制御
するように動作する。コンデンサの電力が少なくなった
場合には、双方向型昇降圧チョッパＤ２は、各部の必要
な電流電圧を検知して整合された電流指令信号Ｉc によ
り、２次電池１からの電力が供給されるように複合２次
電池回路Ａが動作する。さらに、双方向性昇降圧チョッ
パＤ２は、負荷装置ＢのＤＣモータが逆転時も回生エネ
ルギーを回収できる。

【００４０】この回生制御システムにおいては、容量の
大きい電気２重層コンデンサを複数個使用しており、双
方向型昇降圧チョッパーＤと組み合わせているので、単
一の制御回路で回生が可能な上に昇降圧ができ、２次電
池の電圧が低くとも、低速から高速までの運転が可能と
なる。この回生制御システムによる実験では、２次電池
電圧を４８Ｖ以下とした場合でも、双方向型昇降圧チョ
ッパによって約１０倍程度の昇圧が可能で、このため通
常の電動カーに必要とされる時速６０ｋｍ／ｈ以上の高
速運転が可能なことが確認された。従って、この回生制
御システムにおいては、電池電圧を５０Ｖ以下とし、高
価な電気２重層コンデンサ等の数が少なくて済む構成と
することが出来る。

【００４１】さらに、複数の電気２重層コンデンサＣ0
は、図６に示すように、必要に応じて電圧バランス回路
（電流分流回路）を設けるようにしている。電圧バラン
ス回路には、従来例と同様の電圧バランス回路を用いて
も良い。電圧バランス回路としては、図６（ａ）に示す
ように、各コンデンサＣ01, Ｃ02, Ｃ03，…に抵抗Ｒ1,
Ｒ2,Ｒ3,…を並列接続するだけのものでもよい。また、
図６（ｂ）に示すように、抵抗の代わりにツェナーダイ
オードＺＤを使用してもよい。電圧バランス回路は、ツ
ェナーダイオードＺＤによりコンデンサの電圧がより均
等に分圧される。さらに、図６（ｃ）に示すように、ト
ランジスタＴＲとツェナーダイオードＺＤとを組み合わ
せた定電圧回路を用いてもよい。この場合の電圧バラン
ス回路は、電圧が均等に分圧されるとともに、温度特性
に優れ、電流容量も大きいものに出来る。

【００４２】また、本実施例の回生制御システムのさら
なる特長としては、２次電池、及びコンデンサの充電エ
ネルギを最大有効に活用出来る点にある。図７は２次電
池、コンデンサの定性的な放電特性である。図７からわ
かるように、２次電池の場合、その定格を保持出来る時
間まではコンデンサに比べて良い定電圧特性を示すが、
その時間を過ぎると、急激に電圧は低下する。一方、コ
ンデンサの場合は定電圧特性は２次電池に比べて良くな
いが、コンデンサを大容量のものにすることで、２次電
池が放電した後の時間帯でも、充電エネルギを保持させ
ておくことが出来る。

【００４３】２次電池の場合、定格電圧から大きく下が
るような電圧範囲で使用することは２次電池の寿命を著
しく短くする。このため、図８の従来例のような２次電
池とコンデンサが直接接続されているような場合には、
図７のＡで示したように、電圧が下がり過ぎない範囲で
使用せざるを得ないものであった。

【００４４】本実施例では、２次電池とコンデンサの間
にスイッチング素子３を入れて、互いの動作を分離させ
得るようにし、その後段には、双方向性の昇降圧チョッ
パを設けているので、２次電圧が好ましくない電圧まで
低下した場合、スイッチング素子を制御することで、２
次電池とコンデンサを切り離し、コンデンサのエネルギ
ーをさらにそれ以下の電圧まで使用するような図７中、
Ｂの範囲まで動作させる。この場合、コンデンサはエネ
ルギがほとんどなくなるまで放電させても寿命には全く
影響しないため、昇降圧チョッパで制御可能な範囲ま
で、そのエネルギを利用出来る。このことは同様に図７
のＢに示したように、コンデンサの充電電圧が高い場合
にも、昇降圧チョッパでコンデンサの電圧を所望の電圧
まで降圧させるように制御することも出来る。

【００４５】このため、本実施例では、図７のＢに示し
たような充電エネルギを従来方式より大きな範囲で活用
出来る特長を有する。この範囲はコンデンサの容量を大
きくするほど大となる。また、このような広範囲の制御
が必要ない場合には、ＳＷ素子３を常時オンとするか、
あるいは素子３そのものを無くした構成としても良い。

【００４６】

【発明の効果】本発明に係る複合２次電池回路および回
生制御システムによれば、回生エネルギが有効に活用で
き、２次電池やコンデンサの破損が無く、２次電池寿命
を伸ばすことができ、かつ低電圧でも高速運転可能な感
電の危険のない低コストの制御を可能にし、さらに２次
電池の充電時間をも短くできる。また、本発明によれ
ば、従来の２次電池の放電深度によって制限されていた
電圧範囲よりも広い範囲での制御が可能で、コンデンサ
の充電エネルギを最大限に活用出来る特長を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る回生制御システムの第１の実施の
形態を示す回路構成図である。

【図２】図１の回生制御システムのスイッチング素子を
示す回路構成図である。

【図３】図１の回生制御システムの充放電制御回路を示
す回路構成図である。

【図４】本発明に係る回生制御システムの第２の実施の
形態を示す回路構成図である。

【図５】図４の回生制御システムの双方向型昇降チョッ
パを示す回路構成図である。

【図６】図４の回生制御システムの直列コンデンサの実
施例を示す回路図である。

【図７】２次電池とコンデンサの定性的な放電特性の違
いを示すグラフである。

【図８】従来の回生制御システムを示す回路構成図であ
る。

【符号の説明】

Ａ複合２次電池回路Ｂ負荷装置Ｃ充電器Ｄ双方向型昇降チョッパ回路１２次電池２コンデンサ３双方向性スイッチング素子４電流検出線５電圧検出線６電圧検出線７信号線８信号線９信号線１０充放電制御回路１１オペアンプ１２三角波発生器１３ナンドゲート１４ドライバ２０検出制御回路２１ＣＰＵ２２入力インターフェース２３出力インターフェース２４コンパレータ２５コンパレータ２６コンパレータ

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｈ０２Ｊ 7/34 Ｈ０２Ｊ 7/34 Ｊ (72)発明者服部正行宮城県仙台市青葉区上愛子字蛇台原19番48 号Ｆターム(参考） 5G003 AA07 BA02 CA01 CA11 CB01 CC04 DA15 FA06 GB03 5H030 AA02 AA03 AS08 BB08 BB10 FF42 FF43 FF44 5H115 PA11 PA15 PG04 PO02 PU21 PV02 PV23 QI04 TI01 TI05 TI06 TU05 TU16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２次電池と、前記２次電池と並列に接続さ
れたコンデンサと、前記２次電池と前記コンデンサとを
接続する双方向性のスイッチング素子と、前記スイッチ
ング素子を制御する制御回路とを有し、前記制御回路は、前記２次電池および前記コンデンサの
状態を検知し、その状態に応じた検知信号を電流指令と
して前記スイッチング素子を制御することを特徴とする
複合２次電池回路。
【請求項２】２次電池と、前記２次電池と並列に接続さ
れたコンデンサと、前記２次電池と前記コンデンサとを
接続する双方向性のスイッチング素子と、前記スイッチ
ング素子を駆動する充放電制御回路と、前記２次電池お
よび前記コンデンサの電圧および電流を検知する検出制
御回路とを有し、前記検出制御回路は、前記２次電池および前記コンデン
サの状態を検知し、その状態に応じた検知信号を電流指
令として前記充放電制御回路に出力し、前記スイッチン
グ素子を制御することを特徴とする複合２次電池回路。
【請求項３】前記２次電池および前記コンデンサの状態
に応じた検知信号は、前記２次電池および前記コンデン
サの電流、電圧、温度または等価抵抗の信号であること
を特徴とする請求項１または２記載の複合２次電池回
路。
【請求項４】前記コンデンサは複数の電気２重層コンデ
ンサから成ることを特徴とする請求項１，２または３記
載の複合２次電池回路。
【請求項５】前記複数の電気２重層コンデンサはそれぞ
れに並列に電圧バランス回路を備えていることを特徴と
する請求項４記載の複合２次電池回路。
【請求項６】前記２次電池の電圧は５０Ｖ以下であるこ
とを特徴とする請求項４または５記載の複合２次電池回
路。
【請求項７】回生可能な負荷装置と、前記負荷装置から
の電気エネルギーを蓄電する複合２次電池回路とを備
え、前記複合２次電池回路は請求項１，２，３，４，５
または６記載の複合２次電池回路から成ることを特徴と
する回生制御システム。
【請求項８】前記負荷装置と前記複合２次電池回路との
間に、双方向型昇降圧チョッパ回路が前記複合２次電池
回路に入力端側を接続し、前記負荷装置に出力端側を接
続して設けられていることを特徴とする請求項７記載の
回生制御システム。
【請求項９】前記双方向型昇降圧チョッパ回路は、前記
負荷装置の駆動時においては前記２次電池の電圧を昇圧
または降圧して前記負荷装置を駆動し、前記負荷装置の
回生時にはその負荷装置の逆起電力を昇圧または降圧し
て前記２次電池を充電することを特徴とする請求項８記
載の回生制御システム。