JP2003143713A

JP2003143713A - ハイブリッド電源システム

Info

Publication number: JP2003143713A
Application number: JP2001339746A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Endo; 貴義遠藤
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2001-11-05
Filing date: 2001-11-05
Publication date: 2003-05-16

Abstract

(57)【要約】【課題】キャパシタのようなパワー型電源デバイスを
有効に活用することができ、蓄電池のようなエネルギー
型電源デバイスの負担を平坦化でき、しかも、効率も高
いハイブリッド電源システムを提供する。【解決手段】負荷３０と接続される系統電圧ライン２
６、２７に、キャパシタ２１が接続され、これと並列
に、大容量の蓄電池２２と電圧コントローラ２３の出力
端子との直列接続体が接続される。蓄電池２２の電圧Ｖ
ｂはほぼ一定である。電圧コントローラ２３は例えばＤ
Ｃ/ＤＣコンバータであり、その出力電圧Ｖｖが可変で
ある。システムコントローラ２５が、電圧コントローラ
２３の出力電圧Ｖｖを変化させることで、系統電圧Ｖｓ
を変化させる。負荷３０に大電力を供給すべきときは、
系統電圧Ｖｓを低下させることで、キャパシタ２１から
エネルギーを急速に放出させて負荷３０へ供給する。負
荷３０から大電力を戻すべきときは、系統電圧Ｖｓを上
昇させることで、負荷３０からエネルギーを急速にキャ
パシタ２１に吸収させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、例えば電気自動車
や電気建設車両などの駆動用電源装置などとして好適な
ハイブリッド電源システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】電気自動車などの動力源たる三相交流モ
ータにインバータ（直交変換器）を介して直流電力を供
給する電源システムとして、特性の異なる少なくとも２
タイプの電源デバイスを組み合わせたハイブリッド式の
ものが知られている。ここで使用される一方のタイプの
電源デバイスは、安定して長時間にわたり電力を供給で
きる大きいエネルギー量をもった、この明細書で「エネ
ルギー型」と呼ぶ電源デバイスである。他方は、加減速
時などの負荷の急変に即応して大パワーを供給及び吸収
できる、この明細書で「パワー型」と呼ぶ電源デバイス
である。エネルギー型デバイスには、例えば、大容量の
蓄電池や燃料電池やエンジン駆動発電機などがあり、パ
ワー型デバイスには、例えば、キャパシタやハイブリッ
ド用電池などがある。

【０００３】ハイブリッド電源システムでは、加減速時
などの負荷変動にパワー型デバイスで即応することによ
り、エネルギー型デバイスの負担を平坦化するように、
エネルギー型とパワー型のデバイスが組み合わせられ
る。図１〜図３は、従来知られているハイブリッド電源
システムの代表的な３種類の構成を示す。

【０００４】図１に示すハイブリッド電源システム１
は、最も原始的な構成をもつもので、そこでは、エネル
ギー型の典型である蓄電池２と、パワー方の典型例であ
るキャパシタ３が単純に並列接続されている。蓄電池２
からのほぼ一定の電圧がインバータ４に出力される。

【０００５】この原始的なハイブリッド電源システム１
では、蓄電池２の電圧がそのままキャパシタ３に加わ
る。ここで、蓄電池２の電圧の変動幅は小さい。そのた
め、その小さい電圧変動幅に対応する少ないエネルギー
量しか、キャパシタ３からインバータ４へ供給すること
ができない。つまり、キャパシタ３に蓄えられたエネル
ギー量を有効に活用できない。

【０００６】図２に示す２番目のタイプのハイブリッド
電源システム６では、蓄電池６が電流源タイプのＤＣ/
ＤＣコンバータ７の入力に接続され、ＤＣ/ＤＣコンバ
ータ７の出力がキャパシタ８に並列接続される。インバ
ータ４へのエネルギー供給はキャパシタ８から行い、キ
ャパシタ８へのエネルギー供給を、電流源タイプのＤＣ
/ＤＣコンバータ７を介して電池６から行う。インバー
タ４への出力電圧はほぼ一定に制御される。

【０００７】この２番目のタイプのハイブリッド電源シ
ステム４では、蓄電池５の電圧の選択の自由度が大きい
という利点がある。しかし、蓄電池６での電圧変動幅が
小さいから、キャパシタ８に蓄積されたエネルギーを有
効活用できないという問題は依然としてある。また、イ
ンバータ４と同じ電力容量をもったＤＣ/ＤＣコンバー
タ６が必要であるから、ＤＣ/ＤＣコンバータ６のサイ
ズが大きく、そのコストも高い。加えて、その大電力容
量のＤＣ/ＤＣコンバータ６での電力消費分だけ効率が
落ちる。

【０００８】図３に示す３番目のタイプのハイブリッド
電源システム９では、キャパシタ１０がＤＣ/ＤＣコン
バータ１１の入力に接続され、ＤＣ/ＤＣコンバータ１
１の出力が蓄電池１２に並列接続される。インバータ４
へのエネルギー供給は蓄電池１２から行い、急峻なエネ
ルギー供給や回生はＤＣ/ＤＣコンバータ１１を通じて
キャパシタ１０から行う。インバータ４への出力電圧は
ほぼ一定である。

【０００９】この３番目のタイプのハイブリッド電源シ
ステム９では、キャパシタ１０の電圧が大きく変えられ
るので、キャパシタ１０の蓄積エネルギーを有効に活用
できるメリットがある。しかし、インバータ４と同じ電
力容量をもったＤＣ/ＤＣコンバータ１１が必要である
から、ＤＣ/ＤＣコンバータ１１のサイズが大きく、コ
ストも高い。加えて、その大電力容量のＤＣ/ＤＣコン
バータ１１の電力消費分だけ効率が落ちる。また、ＤＣ
/ＤＣコンバータ１１での電力変換の時間遅れのため
に、キャパシタ１０から大電流の放出や吸収の開始が遅
れてしまう。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記に鑑み
なされたものであり、その目的は、キャパシタのような
パワー型電源デバイスを有効に活用することができ、蓄
電池のようなエネルギー型電源デバイスの負担を平坦化
でき、しかも、効率も高いハイブリッド電源システムを
提供することにある。

【００１１】本発明の別の目的は、ハイブリッド電源シ
ステムにおいて、負荷側のインバータの入力範囲内でそ
のインバータへの入力電圧を制御するために必要となる
ＤＣ／ＤＣコンバータのような電力変換器の電力容量
を、より小さくすることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の一つの態様に従
うハイブリッド電源システムは、負荷に接続されること
になる系統電圧ラインと、その系統電圧ラインに接続さ
れたエネルギー型電源デバイスと、系統電圧ラインに接
続されたパワー型電源デバイスと、系統電圧ラインの電
圧を変化させてパワー型電源デバイスの電圧を変化さ
せ、それにより、パワー型電源デバイスから系統電圧ラ
インへ電力を出力し及びその逆へ電力を吸収することを
可能にする系統電圧コントロール手段とを備える。

【００１３】好適な実施形態では、系統電圧コントロー
ル手段が、負荷が必要とする電力に応じて系統電圧を変
化させる。例えば、負荷に電力を供給すべきときには系
統電圧を低下させ、また、負荷から電力を戻すべきとき
には系統電圧を上昇させる。

【００１４】好適な実施形態では、系統電圧コントロー
ル手段が、出力電圧が可変である電圧コントローラを有
し、この電圧コントローラの出力端子がエネルギー型電
源デバイスと直列接続されており、その直列接続体がパ
ワー型電源デバイスと並列の関係で系統電圧ラインに接
続されている。

【００１５】上記電圧コントローラには、エネルギー型
電源デバイスから電力供給を受けて動作する入出力間絶
縁型の電圧コンバータを用いることができる。或るい
は、上記電圧コントローラには、エネルギー型電源デバ
イスとは別に設けられたエネルギー型の追加の電源デバ
イスから電力供給を受けて動作する入出力間非絶縁型又
は絶縁型のコンバータを用いることもできる。後者のコ
ンバータを用いた好適な実施形態では、上記エネルギー
型電源デバイスの電力供給能力の不良（例えば、故障や
蓄電量不足）を検出する電源不良検出器があり、それが
エネルギー型電源デバイスの電力供給能力不良を検出す
ると、その不良になったエネルギー型電源デバイスは実
質的に使わずに、上記追加の電源デバイスからの電力で
動作する電圧コントローラの出力電圧を、実質的に直接
に、系統電圧ラインに加えるようになっている。これに
より、エネルギー型電源デバイスで故障や蓄電量不足が
生じても、追加の電源デバイスからの電力で運転を継続
することができる。

【００１６】上記直列接続体を一つのモジュールに構成
し、そして、複数個のそのようなモジュールを系統電圧
ラインに互いに並列に接続することもできる。モジュー
ルの個数を選択することで、ハイブリッド電源システム
のトータルの電流容量を所望の値にすることができる。

【００１７】系統電圧コントロール手段の別の構成例と
して、複数のエネルギー型電源デバイス同士を選択的に
直列接続又は並列接続できるようにしたものを採用する
こともできる。

【００１８】因みに、従来、車両用電源やその他の各種
電気回路において、キャパシタは、電源電圧を平滑化す
る目的で使用されている。従来のハイブリッド電源で
も、同様の目的でキャパシタが使用されており、電源電
圧(系統電圧)をほぼ一定か又は狭い電圧範囲内に制御さ
れるようになっている。これに対して、本発明は、系統
電圧を積極的に変動させることにより、キャパシタのよ
うなパワー型電源デバイスに大きな充放電を行わせ、そ
れにより、電池のようなエネルギー型電源デバイスとキ
ャパシタのようなパワー型電源デバイスの負荷分担を最
適化するという、新しい原理に従うものである。

【００１９】

【発明の実施の形態】図４は、本発明の一実施形態にか
かるハイブリッド電源システム２０の構成を示す。

【００２０】このハイブリッド電源システム２０は、例
えば、電動自動車や電動建設車両などの動力源である三
相交流モータ４０に対して、インバータ（直交変換器）
３０を介して、直流電力を供給するために用いられる。

【００２１】図４に示すように、このハイブリッド電源
システム２０では、エネルギー型電源デバイスの典型例
である大容量の蓄電池２２と、電圧コントローラ２３の
出力端子とが、直列接続されて系統電圧ライン２６，２
７間に接続されている。さらに、パワー型電源デバイス
の典型例であるキャパシタ２１が、上述した蓄電池２２
と電圧コントローラ２３の直列接続体に対して並列の関
係で、系統電圧ライン２６，２７間に接続されている。
系統電圧ライン２６，２７は、インバータ３０の入力端
子に接続される。

【００２２】インバータ３０は、以下に説明するような
系統電圧Ｖｓの可変範囲を包含する広い入力電圧範囲を
もち、入力電圧が前記範囲内のどの値であってもモータ
４０に対しては所望の電圧と電流を提供できるタイプの
直交変換回路である。

【００２３】電圧コントローラ２３は、その出力電圧が
所定の可変範囲内で任意に制御できるように構成され
た、例えばＤＣ/ＤＣコンバータである（その入力端子
は図１では図示省略してある）。この電圧コントローラ
２３の出力電圧は、システムコントローラ２５から電圧
コントローラ２３に加わる制御信号２８によって制御さ
れる。システムコントローラ２５は、電系統電圧ライン
２６，２７間に現れる系統電圧（つまり、この電源シス
テム２０の出力電圧）Ｖｓ及びこの電源システム２０の
出力電流Ｉｏを検出する電圧・電流検出器２４からの電
圧・電流検出信号２９、並びに図示しない外部回路から
入力される負荷（インバータ３０及びモータ４０）の運
転状態を表す運転信号（例えば、モータが運転か停止
か、モータが力行運転か回生運転か、インバータが必要
とする電力Ｐの大きさなどを表す信号）を入力し、これ
らの入力信号に基づいて、電圧コントローラ２３の出力
電圧を制御する。

【００２４】このような構成において、系統電圧（出力
電圧）Ｖｓは、蓄電池２２の出力電圧Ｖｂと電圧コント
ローラ２３の出力電圧Ｖｖとを加算した電圧となる。蓄
電池２２の出力電圧Ｖｂはほぼ一定であるが、電圧コン
トローラ２３の出力電圧Ｖｖは任意に可変できる。よっ
て、電圧コントローラ２３の出力電圧Ｖｖの可変幅と実
質的に等しい可変幅で、系統電圧Ｖｓも可変である。こ
の可変の系統電圧（出力電圧）Ｖｓは、キャパシタ２１
の両端電圧でもある。従って、キャパシタ２１は、系統
電圧Ｖｓの可変幅に対応した量のエネルギーをインバー
タ３０へ放出及びインバータ３０から吸収することがで
きる。

【００２５】簡単な数値例を用いて説明する。蓄電池２
２の出力電圧Ｖｂが例えば２００[Ｖ]でほぼ固定である
と仮定する。また、電圧コントローラ２３の出力電圧Ｖ
ｖが例えば０[Ｖ]から２００[Ｖ]の範囲内で可変である
と仮定する。よって、系統電圧Ｖｓは２００[Ｖ]から４
００[Ｖ]の範囲で可変である。従って、キャパシタ２１
に蓄積できる最大のエネルギーＱmaxと、電圧コントロ
ーラ２３の電圧制御によってキャパシタ２１が放出及び
吸収可能なエネルギーＱｃは、キャパシタ２１の静電容
量をＣとすると、Ｑmax＝１/２×Ｃ×４００^２Ｑｃ＝１/２×Ｃ×（４００^２−２００^２）となる。従って、この簡単な例の場合、キャパシタ２１
から放出させたり吸収させたりして利用できるエネルギ
ーＱｃは、キャパシタ２１に蓄積可能な最大エネルギー
Ｑmaxの７５％に達する。

【００２６】上記の例から分かるように(実際はこれほ
ど単純ではないが)、図４に示したハイブリッド電源シ
ステム２０によれば、キャパシタ２１の使用効率が非常
に高いという利点が得られる。

【００２７】この利点を生かして、例えば、次のように
電圧コントローラ２３の電圧制御を行うことができる。
すなわち、モータ３０の力行時にモータ３０に大電力を
供給する必要があるときには、電圧コントローラ２３の
電圧Vｖを下げる。これにより、系統電圧（キャパシタ
２１の電圧）Ｖｓが下がり、その電圧低下によりキャパ
シタ２１内で余剰となったエネルギーＱｃがキャパシタ
２１から放出されインバータ３０に供給される。また、
モータ３０の回生時にモータ３０から大電力を戻す必要
があるときには、電圧コントローラ２３の電圧Vｖを上
げる。これにより、系統電圧（キャパシタ２１の電圧）
Ｖｓが上がり、その電圧上昇によりキャパシタ２１内で
不足となったエネルギーＱｃがインバータ３０からキャ
パシタ２１へ戻される。

【００２８】このように、インバータ３０が必要とする
電力の大きさに応じて、系統電圧（キャパシタ２１の電
圧）Ｖｓを増減させることにより、キャパシタ２１の電
流Ｉｃを大幅に変化させて、大電力をキャパシタ２１か
らインバータ３０へ供給したり逆に戻したりすることが
できる。それにより、蓄電池２２の出力電流Ｉｂ（出力
電力）は、大きく変動せずに済み、蓄電池２２の負担は
平坦化され、理想的にはインバータが必要とする激しく
変動する負荷の平均値を出力することになる。

【００２９】また、図４に示したハイブリッド電源シス
テム２０によれば、キャパシタ２１がＤＣ/ＤＣコンバ
ータを介さずにインバータ３０に接続されるので、図３
に示した従来のシステム９のようなＤＣ/ＤＣコンバー
タの介在による応答の遅れという問題はない。さらに、
系統電圧Ｖｓは蓄電池２２の電圧Ｖｂと電圧コントロー
ラ２３の出力電圧Ｖｖとに分割されるから、電圧コント
ローラ２３の電力容量は、蓄電池２２と電圧コントロー
ラ２３の直列接続体に供給される電力よりも小さくて済
み、かつ負荷の平坦化により大電流が流れないため、イ
ンバータ３０の電力容量よりもずっと小さい。そのた
め、電圧コントローラ２３のサイズやコストやそこでの
電力消費による効率低下は、図２又は図３に示した従来
のシステム５、９におけるＤＣ/ＤＣコンバータのそれ
よりも小さい。

【００３０】図５と図６は、図４に示したハイブリッド
電源システム２０における、システムコントローラ２５
の電圧制御動作の例を示している。図５は、モータ４０
の運転時に行う電圧制御例を示し、図６はモータ４０の
停止時に行う電圧制御例を示している。

【００３１】図５に例示するように、モータ４０の運転
時には、システムコントローラ２５は、系統電圧Ｖｓ
（＝Ｖｂ+Ｖｖ）が所定の最大電圧Ｖmaxを上回りそうで
あれば、そうならないように、また、所定の最小電圧Ｖ
minを下回りそうであれば、そうならないように、電圧
コントローラ２３の電圧Vvを調整する（ステップＳ１、
Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）。この調整を行っている間は、蓄電
池の負担の平坦化が不可能（制御不能）な状態となるた
め、インバータが必要とする電力は、蓄電池が供給、あ
るいは逆に、インバータから戻ってくる電力は、蓄電池
が吸収することになる。ここで、系統電圧Ｖｓの最大電
圧Ｖmax及び最小電圧Ｖminは、例えば、電圧コントロー
ラ２３の電圧Vvの制御によって可変できる系統電圧Ｖｓ
の可変範囲の中の、実用上適切と認められる可変範囲の
最大値と最小値である。

【００３２】上記のように所定の最大電圧Ｖmaxと最小
電圧Ｖminの間の範囲内に系統電圧Ｖｓを制御するとと
もに、システムコントローラ２５は、さらに、前述の運
転信号などに基づいて、モータ４０の運転状態が力行か
回生かを判断する（Ｓ５）。そして、力行運転時には、
システムコントローラ２５は、電圧コントローラ２３の
電圧Vvを低下させることで、キャパシタ２１からインバ
ータ３０へ電力を供給する（Ｓ６）。このときの電圧Vv
の低下率（又は低下量）Ｖ-は、例えば、インバータ４
０が必要とする電力Ｐの所定関数Ｆ（Ｐ）として決定す
る。一方、回生運転時には、システムコントローラ２５
は、電圧コントローラ２３の電圧Vvを上昇させること
で、インバータ３０からキャパシタ２１へと電力を吸収
する（Ｓ７）。このときの電圧Vvの上昇率（又は上昇
量）Ｖ+は、例えば、インバータ４０が必要とする電力
Ｐの所定関数Ｇ（Ｐ）として決定する。この制御によ
り、蓄電池は常に一定電力を出力し、インバータの負荷
の変動分はキャパシタが受け持つことが実現できる。

【００３３】図６に例示するように、モータ４０の停止
時には、システムコントローラ２５は、系統電圧Ｖｓと
所定の適正電圧Ｖaveとを比較する（Ｓ１０）。ここ
で、系統電圧Ｖｓの適正電圧Ｖaveとは、力行運転にも
回生運転にも移行し易い電圧であって、例えば、電圧Ｖ
vの制御による系統電圧Ｖｓの可変範囲内の中央値や、
或いは、系統電圧Ｖｓの可変範囲に対応するキャパシタ
２１の蓄積エネルギーの可変範囲内の中央値に対応する
系統電圧値などである。

【００３４】上記比較の結果、系統電圧Ｖｓが適正電圧
Ｖaveより低いときには、システムコントローラ２５
は、電圧コントローラ２３の電圧Vvを上昇させ、それに
より、蓄電池２２からキャパシタ２１を充電し、系統電
圧Ｖｓを適正電圧Ｖaveヘ近づける（Ｓ１１）。このと
き、蓄電池２２の電流Ｉｂが、蓄電池２２の特性上適切
な所定の小さい値になるように、電圧Vvの上昇率(又は
上昇量)を制御する。

【００３５】一方、上記ステップＳ１０の比較の結果、
系統電圧Ｖｓが適正電圧Ｖaveより高いときには、シス
テムコントローラ２５は、蓄電池２２の放電状態を公知
のチェック方法などを用いて調べ（Ｓ１２）、その放電
状態に応じて、例えば予め用意したルックアップテーブ
ルなどを用いて、蓄電池２２の適正な充電電流Ｉｘを割
り出す（Ｓ１３）。続いて、システムコントローラ２５
は、電圧コントローラ２３の電圧Vvを低下させ、それに
より、キャパシタ２１から余剰電荷を放出さえて蓄電池
２２を充電する（Ｓ１４）。このとき、蓄電池２２の充
電電流Ｉｂが、ステップＳ１３で決定した適正値Ｉｘに
なるように、電圧Vvの下降率（又は下降量）を制御す
る。

【００３６】図７は、図５及び図６に示した電圧制御に
よる系統電圧Ｖｓの時間的な変化例を大雑把に示す。

【００３７】図７において、一点鎖線はインバータ３０
が必要とする電力Ｐを示す。電力Ｐが正の区間（ｔ0〜
ｔ1）はモータ４０を力行運転している区間、電力Ｐが
負の区間（ｔ1〜ｔ2）はモータ４０を回生運転している
区間、及び電力Ｐがゼロの区間（ｔ2以降）はモータ４
０が停止している区間である。

【００３８】図７に示すように、力行運転区間（ｔ0〜
ｔ1）では、例えば、インバータ３０に供給すべき電力
Ｐの大きさに応じた下降率で、系統電圧Ｖｓを下降させ
る。それにより、キャパシタ２１から電力が出力されイ
ンバータ３０に供給される。また、回生運転区間（ｔ1
〜ｔ2）では、例えば、インバータ３０から戻すべき電
力Ｐの大きさに応じた上昇率で、系統電圧Ｖｓを上昇さ
せる。それにより、インバータ３０から戻される電力を
キャパシタ２１が吸収する。

【００３９】モータ停止区間（ｔ2以降）では、図示の
ように系統電圧Ｖｓが適正電圧Ｖaveより高い場合に
は、系統電圧Ｖｓを適正電圧Ｖaveに向けて下降させ
る。それにより、キャパシタ２１が蓄電池２２を充電す
る。図示してないが、系統電圧Ｖｓが適正電圧Ｖaveよ
り低い場合には、系統電圧Ｖｓを適正電圧Ｖaveに向け
て上昇させる。それにより、蓄電池２２がキャパシタ２
１を充電する。

【００４０】図８及び図９は、図４に示したハイブリッ
ド電源システム２０内の電圧コントローラ２３の入力回
路に関する２種類の構成例をそれぞれ示す。

【００４１】図８に示す例では、電圧コントローラ２３
はDC/DCコンバータであり、その入力端子には補助的な
蓄電池５１が接続されていて、この補助電池５１からの
電力で動作する。補助電池５１は、インバータ３０へ電
力を供給する主電源たる蓄電池（主電池）２２よりも容
量の小さいものでよい。この補助電池５１の出力電圧
（つまり電圧コントローラ２３の入力電圧）は、電圧コ
ントローラ２３の出力電圧の可変範囲の最高値より高く
てもよいし、低くても良い。補助電池５１の出力電圧が
電圧コントローラ２３の出力電圧最高値より高い場合に
は、電圧コントローラ２３には降圧型のDC/DCコンバー
タ、例えば降圧チョッパ回路を採用することができる。
逆に、補助電池５１の出力電圧が電圧コントローラ２３
の出力電圧の最高値より低い場合には、電圧コントロー
ラ２３には、昇圧型のDC/DCコンバータ、例えば昇圧チ
ョッパ回路を採用することができる。後者の場合、補助
電池５１の出力電圧より低い電圧範囲にまで電圧コント
ローラ２３の出力電圧を可変できるようにするために、
上記昇圧型DC/DCコンバータは降圧機能を併せ持つこと
が望ましい。

【００４２】図８には、また、蓄電池２２の電力供給能
力が不良になった時（例えば、蓄電量不足や故障などの
時）に作動する救済回路も図示されている。

【００４３】すなわち、スイッチ５５が、主電池２２の
両端子間に接続されている。なお、スイッチ５５は、シ
ステムコントローラ２５によって制御されて、主電池２
２の正常時には図示のように開いている。また、別のス
イッチ５７が、主電池２２と系統電圧ライン２６との間
に介在し、それもシステムコントローラ２５によって制
御されて、主電池２２の正常時には図示のように閉じて
いる。そして、電源不良検出器５２が、蓄電池２２の出
力電圧などの電力供給能力を示す状態５３を監視してお
り、その状態５３から蓄電池２２の電力供給能力が不良
になった（例えば、蓄電量不足や故障など）と判断する
と、検出信号５４をシステムコントローラ２５に出力す
る。システムコントローラ２５は、その検出信号５４に
応答して、スイッチ５７を開き、そして、スイッチ５５
を閉じる。スイッチ５７が開くことで、不良の主電池５
７は系統電圧ライン２６，２７から切り離され、運転に
は使用されなくなる。また、スイッチ５５を閉じること
で、電圧コントローラ２３の出力端子が、不良の主電池
２２をバイパスして直接的に、系統電圧ライン２６，２
７に接続される。以後、主電池５７を用いずに、補助電
池５１で作動する電圧コントローラ２３の出力電力を用
いて運転を行うよう、システムコントローラ２５が矢印
２８で示すように電圧コントローラ２３の出力電力を制
御する。こうして、主電池２２が使えなくなった場合で
も、補助電池５１の容量の続く限りで、運転を継続する
ことができる。

【００４４】図９に示す例では、電圧コントローラ２３
はDC/DCコンバータであり、主電池２２から直流電圧変
換回路５２を介して駆動電圧を入力する。直流電圧変換
回路５２は、入力と出力間が電気的に絶縁されたタイプ
のものである。直流電圧変換回路５２は、例えばリンギ
ングチョークコンバータであり、図示のように主電池２
２からの直流電圧を発振回路３で交流電圧に変換し、こ
れを一次・二次絶縁型のトランス５４を用いて入力側か
ら絶縁された交流電圧に変換し、その交流電圧を整流器
５５で直流電圧に変換して電圧コンバータ２３に入力す
る。なお、この例では、上述したように、直流電圧変換
回路５２と電圧コントローラ２３を含めた電力変換回路
は、入出力間が絶縁されたものとなる。これに対し、図
８に示した構成における電圧コントローラ２３は、主電
池２２とは別の補助電池５１を電源とするので、入出力
間が絶縁型である必要はなく、非絶縁型のものでよい。

【００４５】図１０は、図４に示したハイブリッド電源
システム２０において、ＤＣ/ＤＣコンバータを用いず
に系統電圧Ｖsを可変にするための構成例を示す。

【００４６】図１０に示す回路６０は、２つの蓄電池６
１、６２とスイッチ６３、６４を組み合わせたものであ
り、スイッチ６３、６４の接続状態を切り替えること
で、２つの蓄電池６１、６２をＡのように直列接続した
り、Ｂのように並列接続したりすることができる。スイ
ッチ６３、６４の操作は、図４に示したシステムコント
ローラ２５によって行うことができる。組み合わされる
蓄電池の個数として図１０は２個を例示しているが、3
個以上であってもよい。このような蓄電池組み合わせ回
路６０を１個又は複数個直列接続したものを、図４に示
したハイブリッド電源システム２０において、蓄電池２
２と電圧コントローラ２３の直列接続体に代えて、又は
電圧コントローラ２３に代えて用いることができる。そ
れにより、段階的ではあるが、系統電圧Ｖｓを変化させ
ることができ、よって、上述した電圧コントローラを用
いた場合と同様にキャパシタ２１の蓄積エネルギーを有
効に活用することができる。

【００４７】図１１は、図４に示したハイブリッド電源
システム２０において、系統電圧Ｖsを可変にするため
の別の構成例を示す。

【００４８】図１１に示すように、１個又は複数個の電
池モジュール７０、７０、…が、系統電圧ライン２６、
２７間に並列に接続される。各電池モジュール７０は、
蓄電池７１と電圧コントローラ７２の出力端子とを直列
接続したものであり、望ましくは、単一のユニット又は
単一のパックになっている。電圧コントローラ７２は、
その出力電圧が可変の例えばＤＣ/ＤＣコンバータであ
り、システムコントローラ２５によってその出力電圧な
どの状態が制御される。並列接続される電池モジュール
７０の個数は、ハイブリッド電源システム２０のトータ
ルの電流容量によって適宜に選択される。すなわち、ト
ータルの容量が大きいほど、並列接続される電池モジュ
ール７０の個数は増える。

【００４９】なお、各電池モジュール７０内の電圧コン
トローラ７２の駆動電力は、図８に示したように、蓄電
池７１とは別に設けられた補助電池（図１１では図示し
てないが、各電池モジュール７０内に設けても良いし、
電池モジュール７０外に設けてもよい）から供給するよ
うにしてもよいし、或いは、図９に示したように、蓄電
池７１から電圧変換回路（図１１では図示してないが、
各電池モジュール７０内に設けても良いし、電池モジュ
ール７０外に設けてもよい）を通じて供給するようにし
てもよい。前者の場合には、補助電池だけでなく、図８
に示したような、蓄電池７１の不良時に作動する救済回
路の電圧不良検出器やスイッチ類（図１１では図示せ
ず）も、各電池モジュール７０内に設けてもよい。

【００５０】一般に、蓄電池７１は、個体間の特性（イ
ンピーダンスなど）のばらつきが大きいため、複数個の
蓄電池７１を並列接続することは、一部の蓄電池７１に
負荷が偏るという問題があり、好ましくない。しかし、
図１１に示す構成によれば、各電池モジュール７０の電
圧コントローラ７２の状態を調整することで、蓄電池７
１の特性のばらつきを吸収して、電池モジュール７０、
７０、…の特性を均一化できるので、複数個の電池蓄モ
ジュール７０、７０、…を並列接続しても問題はない。
そして、並列接続する電池モジュール７０の個数を選択
することで、ハイブリッド電源システム２０のトータル
の容量を所望値にすることができる。

【００５１】以上、本発明の実施形を態を説明したが、
これは本発明の説明のための例示であり、この実施形態
のみに本発明の範囲を限定する趣旨ではない。従って、
本発明は、その要旨を逸脱することなく、他の様々な形
態で実施することが可能である。

【００５２】例えば、図4に示したハイブリッド電源シ
ステム２０では、キャパシタ２１が系統電圧ライン２
６、２７間に直接に接続され、また、蓄電池２２と電圧
コントローラ２３とが直接に直列接続され、その直列接
続体が系統ライン２６、２７間に直接に接続されている
が、必ずしもそうでなければならないわけではない。何
らかの追加的な回路要素を介して、キャパシタ２１が系
統電圧ライン２６、２７間に間接的に接続されていた
り、蓄電池２２と電圧コントローラ２３が互いに間接的
に直列接続されていたり、或いは、その直列接続体が系
統電圧ライン２６、２７間に間接的に接続されていても
よい。

【００５３】また、上記実施形態では、エネルギー型電
源デバイスとして蓄電池を、パワー型電源デバイスとし
てキャパシタを用いたが、それらに代えて、エネルギー
型電源デバイスとして燃料電池又はエンジン駆動発電機
などを、或いは、パワー型電源デバイスとしてハイブリ
ッド用電池などを用いることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のハイブリッド電源システムの構成例を示
すブロック図。

【図２】従来のハイブリッド電源システムの別の構成例
を示すブロック図。

【図３】従来のハイブリッド電源システムの更に別の構
成例を示すブロック図。

【図４】本発明の一実施形態に従うハイブリッド電源シ
ステムの構成を示すブロック図。

【図５】図４に示したハイブリッド電源システム２０に
おいて、モータ４０の運転時にシステムコントローラ２
５が行う電圧制御の例を示すフローチャート。

【図６】図４に示したハイブリッド電源システム２０に
おいて、モータ４０の停止時にシステムコントローラ２
５が行う電圧制御の例を示すフローチャート。

【図７】図５及び図６に示した電圧制御による系統電圧
Ｖｓの時間的な変化例を大雑把に示した図。

【図８】電圧コントローラ２３の入力回路、及び蓄電池
２２の不良時に作動する救済回路の構成例を示す回路
図。

【図９】電圧コントローラ２３の入力回路の別の構成例
を示す回路図。

【図１０】蓄電池の接続を切り替えて系統電圧Ｖsを可
変にするための構成例を示す回路図。

【図１１】蓄電池７２と電圧コントローラ７２を直列接
続した電池モジュール７０を用いた構成例を示すブロッ
ク図。

【符号の説明】

２０ハイブリッド電源システム２１キャパシタ２２、７１蓄電池２３、７２電圧コントローラ(ＤＣ/ＤＣコンバータ) ２４電圧検出器２５システムコントローラ２６、２７系統電圧ライン７０電池モジュール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】負荷（３０）に接続されることになる系
統電圧ライン（２６、２７）と、前記系統電圧ラインに接続されたエネルギー型電源デバ
イス（２２）と、前記系統電圧ラインに接続されたパワー型電源デバイス
（２１）と、前記系統電圧ラインの電圧（Ｖｓ）を変化させて前記パ
ワー型電源デバイスの電圧を変化させ、それにより、前
記パワー型電源デバイスから前記系統電圧ラインへ電力
を出力し及びその逆へ電力を吸収することを可能にする
系統電圧コントロール手段（２３、２５）とを備えたハ
イブリッド電源システム。
【請求項２】前記系統電圧コントロール手段（２３、
２５）が、前記負荷（３０）が必要とする電力に応じて
前記系統電圧（Ｖｓ）を変化させる請求項１記載のハイ
ブリッド電源システム。
【請求項３】前記系統電圧コントロール手段（２３、
２５）が、前記負荷（３０）に電力を供給すべきときに
は前記系統電圧（Ｖｓ）を低下させ、前記負荷（３０）
から電力を戻すべきときには、前記系統電圧（Ｖｓ）を
上昇させる請求項１記載のハイブリッド電源システム。
【請求項４】前記系統電圧コントロール手段（２３、
２５）が、出力電圧が可変である電圧コントローラ（２
３）を有し、前記電圧コントローラ（２３）の出力端子が前記エネル
ギー型電源デバイス（２２）と直列接続され、前記エネルギー型電源デバイス（２２）と前記電圧コン
トローラ（２３）の出力端子との直列接続体が、前記パ
ワー型電源デバイス（２１）と並列の関係で、前記系統
電圧ラインに接続されている請求項１記載のハイブリッ
ド電源システム。
【請求項５】前記電圧コントローラ（２３）の入力端
子に電力を供給するために、前記エネルギー型電源デバ
イス（２２）とは別に設けられたエネルギー型の追加の
電源デバイス（５１）と、前記エネルギー型電源デバイス（２２）の電力供給能力
の不良を検出する電源不良検出器（５２）とを更に備
え、前記系統電圧コントロール手段（２３、２５）が、前記
電源不良検出器（５２）により前記不良が検出される
と、不良な前記エネルギー型電源デバイス（２２）を実
質的に使わないようにして、前記追加の電源デバイス
（５１）からの電力で動作する前記電圧コントローラ
（２３）の出力電圧を、実質的に直接に前記系統電圧ラ
インに加えるように動作する、請求項４記載のハイブリ
ッド電源システム。
【請求項６】前記系統電圧コントロール手段（２３、
２５）が、前記系統電圧ライン（２６、２７）に互いに
並列に接続された複数の電源モジュール（７０、７０）
を有し、各電源モジュール（７０）は、前記エネルギー型電源デ
バイス（２２）と前記電圧コントローラ（７２）の出力
端子との直列接続体から構成される請求項４記載のハイ
ブリッド電源システム。
【請求項７】前記系統電圧コントロール手段（２３、
２５）が、前記系統電圧ライン（２６、２７）に接続された複数の
エネルギー型電源デバイス（６１、６３）と、前記複数のエネルギー型電源デバイス（６１、６２）同
士を選択的に直列接続又は並列接続するスイッチ（６
３、６４）とを有し、前記複数のエネルギー型電源デバ
イス（６１、６２）同士を直列接続するか並列接続する
かによって前記系統電圧（Ｖｓ）を変化させる請求項１
記載のハイブリッド電源システム。