JP2003219566A

JP2003219566A - ハイブリッド電源システム

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Publication number: JP2003219566A
Application number: JP2002008535A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Endo; 貴義遠藤
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2002-01-17
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2022-01-17
Also published as: US20070273209A1; US7439631B2; JP3874344B2

Abstract

(57)【要約】【課題】キャパシタなどのパワー型デバイスを有効に
活用でき蓄電池などのエネルギー型デバイスの負担を平
坦化でき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への系統電圧ライン２２、２３
に電池モジュール２１とキャパシタモジュール２４が並
列に接続される。電池モジュール２１は直並列チョッパ
回路で、スイッチング素子２１３の通電率の調節で、出
力電圧Vsを蓄電池１つの電圧Eからその2倍の２Eまで無
段階に調節できる。出力電圧Vsを積極的に変動させるこ
とで、キャパシタモジュール２４からエネルギーを急速
に放出／吸収させて、大きな負荷変動に対応する。

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５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５では、蓄電池６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】

【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、出力端子と、出力端子
間に接続された直並列チョッパ回路と、出力端子間に接
続されたパワー型電源デバイスと、直並列チョッパ回路
の出力電圧を制御するコントローラとを備える。直並列
チョッパ回路は、複数のエネルギー型電源デバイスとス
イッチング素子とを含み、スイッチング素子のオンオフ
動作によって前記複数のエネルギー型電源デバイスを出
力端子間に直列接続した状態と並列接続した状態とを交
互に生じさせ、そして、スイッチング素子の通電率に応
じたレベルの出力電圧を出力端子に出力することができ
る。コントローラは、直並列チョッパ回路のスイッチン
グ素子を駆動してオンオフ動作を行わせ、そして、スイ
ッチング素子の通電率を制御することにより出力電圧の
レベルを増減する。

【００１２】直並列チョッパ回路は、出力端子からエネ
ルギー型電源デバイスへ電気エネルギーを戻すための電
流経路を更に有することができる。これにより、負荷回
路からの回生エネルギーをエネルギー型電源デバイスへ
戻したり、出力端子に接続した充電器を用いてエネルギ
ー型電源デバイスを充電したりすることができる。一つ
の電流経路で複数のエネルギー型電源デバイスを直列に
接続する構成を採用することもできるし、或るいは、複
数のエネルギー型電源デバイスを個別に充電するための
複数の並列な電流経路を設けた構成を採ることもでき
る。後者の構成では、回生動作を行ったり充電したりす
るのに必要な出力端子側の電圧が、前者の構成よりも低
くて済む。また、回生動作や充電の方法として、インダ
クタに電流を流してインダクタに一時的にエネルギーを
蓄え、次にそのインダクタの電流を遮断することでイン
ダクタに高い逆起電力を生じさせ、その逆起電力でイン
ダクタの蓄積エネルギーをエネルギー型電源デバイスへ
強制的に注入するという方法を用いることでも、回生や
充電に必要な出力端子側の電圧が低くすることができ
る。また、例えばスイッチング素子を用いて通電率を調
節する方法などにより、回生動作や充電の電流の大きさ
を制御することもできる。

【００１３】本発明のハイブリッド電源システムによれ
ば、直並列チョッパ回路を用いて出力電圧を積極的に変
動させることにより、キャパシタなどのパワー型電源デ
バイスに大きな充放電を行わせ、それにより、蓄電池な
どのエネルギー型電源デバイスと、キャパシタなどパワ
ー型電源デバイスの負荷分担を最適化することができ
る。因みに、従来のハイブリッド電源は、出力電圧(系
統電圧)をほぼ一定か又は狭い電圧範囲内に制御するよ
うに設計されている。これに対して、系統電圧を積極的
に変動させてパワー型電源デバイスに大きな充放電を行
わせるという本発明のハイブリッド電源システムの動作
原理は、斬新なものである。

【００１４】

【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。

【００１５】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。

【００１６】図４に示すように、このハイブリッド電源
システム２０は、エネルギー型電源デバイスとしての電
池モジュール２１を有し、この電池モジュール２１は、
直並列チョッパ回路の構成を有し、その出力電圧は無段
階に可変である。この電池モジュール２１の出力端子は
系統電圧ライン２２，２３に接続され、系統電圧ライン
２２，２３はインバータ３０の入力端子に接続される。
また、パワー型電源デバイスとしてのキャパシタモジュ
ール２４が、電池モジュール２１と並列の関係で、系統
電圧ライン２２，２３間に接続される。さらに、システ
ムコントローラ２５が電池モジュール２１に接続されて
おり、このシステムコントローラ２５は、電池モジュー
ル２１の出力電圧を制御し、それにより、このハイブリ
ッド電源システム２０の出力電力を制御する。

【００１７】電池モジュール２１は、直並列チョッパ回
路として構成され、エネルギー型電源デバイスの典型例
である２つの大容量の蓄電池２１１、２１２を有する。
この２つの蓄電池２１１、２１２の電圧E1、E2は等しい
（つまり、E1＝E2＝E）。また、２つの蓄電池２１１、
２１２を直列に接続したり切り離したりするためのスイ
ッチング素子、例えばトランジスタ２１３が設けられ、
これはシステムコントローラ２５により高速周期でオン
オフ駆動される。すなわち、トランジスタ２１３のエミ
ッタ−コレクタパスが、第1の蓄電池２１１のマイナス
端子と第2の蓄電池のプラス端子との間に結合され、ま
た、そのベースが、システムコントローラ２５の駆動出
力端子に接続される。また、第1の蓄電池２１１のプラ
ス端子は第1のインダクタ２１４を介して、この電池モ
ジュール２１のプラス出力端子（すなわち、プラスの系
統電圧ライン２２）に接続され、第2の蓄電池２１２の
マイナス端子は第2のインダクタ２１５を介して、この
電池モジュール２１のマイナス出力端子（すなわち、マ
イナスの系統電圧ライン２３）に接続される。また、こ
の電池モジュール２１のマイナス出力端子と第１の蓄電
池２１１のマイナス端子との間に、前者から後者へ向か
う方向を順方向とするように第1のダイオード２１６が
接続され、この電池モジュール２１のプラス出力端子と
第2の蓄電池２１２のプラス端子との間に、後者から前
者へ向かう方向を順方向とするように第2のダイオード
２１７が接続される。さらに、この電池モジュール２１
のプラスとマイナスの出力端子間に、この電池モジュー
ル２１の出力電圧のノイズを除去するためのコンデンサ
２１８が接続される。

【００１８】電池モジュール２１において、トランジス
タ２１３はシステムコントローラにより駆動されて、所
定の高速周期でオンオフ動作を繰り返す。トランジスタ
２１３の通電率（一周期内のオン時間の割合）は可変で
あり、システムコントローラによって制御される。トラ
ンジスタ２１３がオンのときには、図５に示すように、
第2の蓄電池２１２、トランジスタ２１３、第1の蓄電池
２１１、第1のインダクタ２１４、プラス系統電圧ライ
ン２２、キャパシタモジュール２４（又はインバータ３
０）、マイナス系統ライン２３、第2のインダクタ２１
５を順に通って電流が流れる。このとき、２つの蓄電池
２１１、２１３は直列に接続される。一方、トランジス
タ２１３がオフのときには、図６に示すように、第1の
蓄電池２１１、第1のインダクタ２１４、プラス系統電
圧ライン２２、キャパシタモジュール２４（又はインバ
ータ３０）、マイナス系統ライン２３、第1のダイオー
ド２１６という経路を順に通って電流が流れるととも
に、第2の蓄電池２１２、第2のダイオード２１７、プラ
ス系統電圧ライン２２、キャパシタモジュール２４（又
はインバータ３０）、マイナス系統ライン２３、第2の
インダクタ２１５を順に通っても電流が流れる。このと
き、２つの蓄電池２１１、２１３は並列になる。このよ
うに、一周期の動作内で、２つの蓄電池２１１、２１３
の直列接続と並列接続とが切り替えられる。ここで、蓄
電池２１１、２１３の電圧をE （＝E1＝E2）、トランジ
スタ２１３の通電率をαとすると、電池モジュール２１
の実質的な出力電圧（つまり、実質的な系統電圧）Vs
は、 Vs＝（1＋α）E となり、系統電圧Vsは、Eから２Eまでの範囲で連続的に
可変である。

【００１９】キャパシタモジュール２４は、電池モジュ
ール２１と負荷を分担するためのコンデンサであり、特
に、インバータ３０へ大電力を供給したり、インバータ
３０から大電力を吸収したりする役割をもち、その役割
を果たすのに十分な大容量、例えばファラッドオーダの
容量を有する。因みに、電池モジュール２１内のノイズ
除去用コンデンサ２１８の容量は高々例えば数十マイク
ロファラッドであるから、これと比較すると、キャパシ
タモジュール２４のファラッドオーダの容量は全くけた
違いに大きい。また、キャパシタモジュール２４の容量
の大きさ故に、キャパシタモジュール２４の内部抵抗２
４１もかなり大きく、そのため、キャパシタモジュール
２４は、電池モジュール２１のノイズ除去用コンデンサ
としての機能を果たすことはできない。こうした点で、
キャパシタモジュール２４とノイズ除去用コンデンサ２
１８とは、同じコンデンサであっても、それが果たす役
割においては全く異質のものである。

【００２０】インバータ３０は、望ましくは、上述した
系統電圧Vsの可変範囲E〜２E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。或いは、例えば入力電圧範囲
が３／４Ｅ〜Ｅまでのように、システムの系統電圧連続
可変範囲Ｅ〜２Ｅ内の入力電圧範囲をもった直交変換器
を、インバータ３０として用いてもよい。

【００２１】システムコントローラ２５は、系統電圧V
s、この電源システム２０の出力電流Io、電池モジュー
ル２１の出力電流Ib、各蓄電池２１１，２１３の出力電
流Ib1、Ib2、及び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）などを入力し、これらの入力信
号に基づいて、トランジスタ２１３の通電率を調節して
系統電圧Vsを制御する。系統電圧Vsがキャパシタモジュ
ール２４の両端電圧であるから、キャパシタモジュール
２４は、系統電圧Vsの可変幅E〜２Eに対応した量のエネ
ルギーをインバータ３０へ放出し、またインバータ３０
から吸収することができる。

【００２２】簡単な数値例を用いて説明する。蓄電池２
１１、２１２の出力電圧Eが例えば２００[Ｖ]で実質的
に固定であると仮定する。すると、系統電圧Vsは２００
[Ｖ]から４００[Ｖ]の範囲で可変である。従って、キャ
パシタモジュール２４に蓄積できる最大のエネルギーQm
axと、系統電圧Vsの制御によってキャパシタモジュール
２４が放出及び吸収可能なエネルギーQcは、キャパシタ
モジュール２４の静電容量をCとすると、 Qmax＝１/２×C×４００２ Qc＝１/２×C×（４００２−２００２）となる。従って、この簡単な例の場合、キャパシタモジ
ュール２４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、キャパシタモジュール２４に蓄積可
能な最大エネルギーQmaxの７５％に達する。

【００２３】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、キャパシタモジュール２４の使用
効率が非常に高いという利点が得られる。

【００２４】この利点を生かして、例えば、次のように
系統電圧Vsの制御を行うことができる。すなわち、モー
タ４０の力行時にモータ４０に大電力を供給する必要が
あるときには、トランジスタ２１３の通電率を低めて系
統電圧Vsを下げる。系統電圧Vsの低下により、キャパシ
タモジュール２４内で余剰となったエネルギーQがキャ
パシタモジュール２４から放出されインバータ３０に供
給される。また、モータ４０の回生時にモータ４０から
大電力を戻す必要があるときには、トランジスタ２１３
の通電率を高めて系統電圧Vsを上げる。系統電圧Vsの上
昇によりキャパシタモジュール２４内で不足となったエ
ネルギーQがインバータ３０からキャパシタモジュール
２４へ戻される。

【００２５】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Vsを増減させることに
より、キャパシタモジュール２４の電流Icを大幅に変化
させて、大電力をキャパシタモジュール２４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、電池モジュール２１の出力電力は、大きく
変動せずに済み、理想的にはインバータが必要とする激
しく変動する電力の平均値を出力することになる。この
ように、電池モジュール２１の出力電力を安定させるこ
とができるので、（系統電圧Vsは大きく変動するが、）
蓄電池２１１、２１２の各々の出力電流Ib1、Ib2も大き
く変動せずに済む。

【００２６】さらに、図４に示したハイブリッド電源シ
ステム２０では、電池モジュール２１として直並列チョ
ッパ回路を用いているため、蓄電池２１１、２１２の各
々の出力電流Ib1、Ib2は、従来の電源システムより小さ
く抑えることができる。

【００２７】すなわち、例えば、図２に示したような従
来型のＤＣ／ＤＣコンバータを用いたシステムが、例え
ば電池電圧が２Ｅであり、系統電圧の変動範囲が２Ｅ〜
Ｅという条件下で動作する場合を想定する。この場合、
負荷が電力Ｐを要求すると、負荷電流は、系統電圧に応
じてＰ／Ｅ〜Ｐ／２Ｅの範囲で変化する。系統電圧に関
わらず電池電流の平均値はＰ／２Ｅであるが、しかし、
電池及びＤＣ／ＤＣコンバータの構成素子には、内部の
スイッチング素子のオン／オフに応じて、負荷電流と同
様のＰ／Ｅ〜Ｐ／２Ｅの範囲のピーク電流が流れる。従
って、ＤＣ／ＤＣコンバータの構成素子は、最大でＰ／
Ｅの電流に耐える必要がある。また、電池には、その平
均電流はＰ／２Ｅであっても、最大でＰ／Ｅの電流が流
れることになり、この最大電流が電池の発熱や効率悪化
を引き起こす。

【００２８】これに対し、図４に示したような本発明に
従う直並列チョッパ回路を用いたシステムでは、上記と
同一の動作条件の下で、電池の直列接続時にはＰ／２Ｅ
の負荷電流が、また並列接続時にはＰ／Ｅの負荷電流が
流れるが、電池一個あたりの最大電流は直列接続時も並
列接続時もＰ／２Ｅとなる。つまり、どんな状態におい
ても、電池及び直並列チョッパ回路の構成素子には、最
大でＰ／２Ｅの電流しか流れないことになる。この最大
電流の大きさは、上述した従来システムのそれの半分に
過ぎない。このことは、従来システムのＤＣ／ＤＣコン
バータに比較して、図４のシステムの直並列チョッパ回
路は高効率であり、小型化が可能であることを意味す
る。また、電池の効率及び寿命も向上する。

【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、キャパシタモジュール２４が直接的
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。

【００３０】ところで、図４に示したハイブリッド電源
システム２０では1個の電池モジュール２１が使用され
ているに過ぎないが、複数個の同様の電池モジュール２
１を使用することもできる。例えば、複数個の同様の電
池モジュール２１を並列にキャパシタモジュール２４に
接続することにより、より大きな蓄電容量を得ることが
できる。また、複数個の同様の電池モジュール２１を直
列にキャパシタモジュール２４に接続することにより、
系統電圧Vsの可変範囲をより大きくすることができる。
このような複数個の電池モジュール２１の並列接続と直
列接続とを組み合わせることもできる。

【００３１】図７は、電池モジュールの変形例を示す。

【００３２】図７に示す電池モジュール２６では、図４
に示した電池モジュール２１の直並列チョッパ回路の構
成に加えて、第1の蓄電池２１１のマイナス端子と第2の
蓄電池２１２のプラス端子との間に、前者から後者へ向
かうが順方向になるように第3のダイオード２１９が接
続される。

【００３３】第1の蓄電池２１１の電圧E1（＝E）とダイ
オード２１９の順方向電圧降下と第2の蓄電池２１２の
電圧E2（＝E）とを足し合わせた電圧（実質的には、２
E）を、所望の最大電圧（例えば、インバータ３０の最
大入力電圧）と一致するように選んでおくと、系統電圧
Vsが上記所望の最大電圧にてハードウェア的にクランプ
されることになる。そのため、インバータ３０からの回
生エネルギーによりキャパシタモジュール２４が最大限
に充電されて系統電圧Vsが上記最大電圧に到達した状態
では、インバータ３０からの回生エネルギーがダイオー
ド２１９を通じて蓄電池２１１、２１２に戻されて蓄電
池２１１、２１２が充電される。このように、負荷から
の回生エネルギーを蓄電池２１１、２１２に戻すこと
で、蓄電池２１１、２１２を充電することが可能であ
る。

【００３４】また、外部の充電器（直流低電圧電源装
置）を使って蓄電池２１１、２１２を充電する場合に、
電池モジュール２６内の個々の蓄電池２１１、２１２か
ら配線を引き出さなくても、電池モジュール２６それ自
体の出力端子(系統電圧ライン２２、２３)に充電器を接
続すれば済む。そのため、特に、電池モジュール２６が
車両等に搭載されたままの状態で、蓄電池２１１、２１
２の充電を行おうとする場合、充電器の接続が容易であ
る。

【００３５】図８は、電池モジュールの別の変形例を示
す。

【００３６】図８に示す電池モジュール２７では、図７
に示した電池モジュール２６の構成において、第3のダ
イオード２１９が第2のトランジスタ２２０に置き換え
られ、また、第1の蓄電池２１１のマイナス端子とこの
電池モジュール２７のプラス出力端子（つまり、プラス
の系統電圧ライン２２）との間に、前者から後者へ向か
う方向を順方向とするように第4のダイオード２２１が
接続され、さらに、第２の蓄電池２１２のプラス端子と
この電池モジュール２７のマイナス出力端子（つまり、
マイナスの系統電圧ライン２３）との間に、後者から前
者へ向かう方向を順方向とするように第5のダイオード
２２２が接続される。第2のトランジスタ２２０は、そ
のベースがシステムコントローラ２５の充電制御出力端
子に接続されて、システムコントローラ２５からの充電
制御信号に従ってオンオフ動作する。

【００３７】図８に示した電池モジュール２７では、第
2のトランジスタ２２０をオンにすれば、図７に示した
電池モジュール２６と同様に、系統電圧Vsが所定の最大
値に一致した状態でインバータ３０からの回生エネルギ
ーにより蓄電池２１１、２１２を充電することや、この
電池モジュール２７の出力端子(系統電圧ライン２２、
２３)に接続された外部の充電器（直流低電圧電源装
置）により蓄電池２１１、２１２を充電することができ
る。この充電の際、第2のトランジスタ２２０を高速に
オンオフ動作させてその通電率を調節することにより、
蓄電池２１１、２１２の充電電流を所望値に制御するこ
とができる。

【００３８】図９は、電池モジュールのまた別の変形例
を示す。

【００３９】図９に示した電池モジュール２８では、図
７に示された構成に、第2のトランジスタ２２４が加え
られており、この第2のトランジスタ２２４のコレクタ
−エミッタパスが第1の蓄電池２１１のプラス端子と第2
の蓄電池２１２のマイナス端子との間に直接接続されて
いて、第2のトランジスタ２２４がオンになると、電池
モジュール２８のプラス側出力端子２２から第1のイン
ダクタ２１４、第2のトランジスタ２２４及び第2のイン
ダクタ２１５を順に経由してマイナス側出力端子２３へ
と電流が流れ得る電流経路が形成されるようになってい
る。第2のトランジスタ２２４のベースはシステムコン
トローラ２５の充電制御出力端子に接続されていて、シ
ステムコントローラ２５からの充電制御信号に従って第
2のトランジスタ２２４がオンオフ動作するようになっ
ている。

【００４０】図９に示した電池モジュール２８でも、前
述の図８に示した電池モジュール２７と同様、回生エネ
ルギーを蓄電池２１１、２１２に戻すことができ、ま
た、電池モジュール２７の出力端子２２、２３に接続し
た充電器を用いて、蓄電池２１１、２１２を充電するこ
とができる。充電器で蓄電池２１１、２１２を充電する
場合、前述の図８に示した電池モジュール２７では蓄電
池２１１、２１２の直列電圧２Ｅより高い出力電圧をも
った充電器が必要であるのに対して、図９に示した電池
モジュール２８では、第2のトランジスタ２２４を高速
にオン／オフ動作させることで、インダクタ２１４、２
１５にオン時にエネルギーを蓄えオフ時に放出させ、そ
の放出エネルギーを高い逆起電力で蓄電池２１１、２１
２に戻せるため、２Ｅ以下の出力電圧をもった充電器で
も使用することができる。第2のトランジスタ２２４の
通電率の調節により、充電電流を制御することができ
る。

【００４１】図１０は、電池モジュールの更にまた別の
変形例を示す。

【００４２】図１０に示した電池モジュール２９では、
図８に示された構成において、第2のトランジスタ２２
０が除去され、そして、第3と第4のトランジスタ２２
６、２２７が追加されている。第3のトランジスタ２２
６のエミッタ−コレクタパスが第1のダイオード２１６
の両端子間に接続されていて、第3のトランジスタ２２
６がオンになると、第1のダイオード２１６の両端子間
が短絡される。また、第４のトランジスタ２２７のエミ
ッタ−コレクタパスが第２のダイオード２１７の両端子
間に接続されていて、第４のトランジスタ２２７がオン
になると、第２のダイオード２１７の両端子間が短絡さ
れる。第3と第4のトランジスタ２２６、２２７のベース
は、システムコントローラ２５の２つの充電制御出力端
子にそれぞれ接続されていて、システムコントローラ２
５からの２つの充電制御信号にそれぞれ従って第3と第4
のトランジスタ２２６、２２７がオンオフ動作するよう
になっている。

【００４３】図１０に示した電池モジュール２９でも、
負荷回路からの回生エネルギーにより、又は、電池モジ
ュール２９の出力端子２２、２３に接続された充電器に
より、蓄電池２１１、２１２を充電すことができる。充
電器の出力電圧は２Ｅ以下でよい。充電時、第3のトラ
ンジスタ２２６は第1の蓄電池２１１の充電を司り、そ
の通電率の調節により第1の蓄電池２１１の充電電流を
制御することができる。第4のトランジスタ２２７は第
２の蓄電池２１２の充電を司り、その通電率の調節によ
り第２の蓄電池２１２の充電電流を制御することができ
る。

【００４４】図１１は、電池モジュールの更にまた別の
変形例を示す。

【００４５】図１１に示した電池モジュール３０では、
図７に示された構成において、図１０の電池モジュール
２９の場合と同様な第3と第4のトランジスタ２２６、２
２７が追加されている。図１１の電池モジュール３０で
も、負荷回路からの回生エネルギーにより、又は、出力
端子２２、２３に接続された充電器により、蓄電池２１
１、２１２を充電すことができる。充電器の出力電圧は
２Ｅ以下でよい。第3と第4のトランジスタ２２６、２２
７のそれぞれの通電率の調節により、第1と第２の蓄電
池２１１、２１２の充電電流を個別に制御することがで
きる。

【００４６】上述した図８〜図１１に示した電池モジュ
ール２７、２８、２９のいずれに関しても、電池モジュ
ール自身が充電電流を制御する機能をもつので、充電器
には電流制御機能は必要ない。そのため、充電器とし
て、商用電源の３相又は単相の交流電圧などを安価なダ
イオードブリッジで整流するような簡単な構造のものを
用いることができる。特に図９〜図１１のものでは、充
電器の出力電圧は２Eより低くてもよいから、例えば２
００Ｖ交流のような低圧の商用電源を用いても、数百V
の最高出力電圧をもつ実用的な電池モジュールを充電す
ることが可能である。

【００４７】以上、本発明の実施形態を説明したが、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。

【００４８】例えば、電池モジュール２１、２６、２
７、２８、２９で用いられたエネルギー型電源デバイス
の一例としての蓄電池（二次電池）２１１、２１２に代
えて、燃料電池やエンジン駆動発電機などを用いること
もできる。また、パワー型電源デバイスの一例としての
キャパシタモジュール２４に代えて、ハイブリッド電源
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
す回路図。

【図２】従来のハイブリッド電源システムの別の構成例
を示す回路図。

【図３】従来のハイブリッド電源システムの更に別の構
成例を示す回路図。

【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回路図。

【図５】図４のシステムの電池モジュール内の蓄電池の
直列接続時の状態を示す回路図。

【図６】図４のシステムの電池モジュール内の蓄電池の
並列接続時の状態を示す回路図。

【図７】本発明に従うハイブリッド電源システムの変形
例を示すブロック図。

【図８】本発明に従うハイブリッド電源システムの別の
変形例を示すブロック図。

【図９】本発明に従うハイブリッド電源システムのまた
別の変形例を示すブロック図。

【図１０】本発明に従うハイブリッド電源システムの更
にまた別の変形例を示すブロック図。

【図１１】本発明に従うハイブリッド電源システムのま
た更に別の変形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、２６、２７、２８、２９電池モジュール２１１、２１２蓄電池２２、２３系統電圧ライン２４キャパシタモジュール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】出力端子（２２、２３）と、複数のエネルギー型電源デバイス（２１１、２１２）と
スイッチング素子（２１３）とを含み、前記スイッチン
グ素子（２１３）のオンオフ動作によって前記複数のエ
ネルギー型電源デバイス（２１１、２１２）を前記出力
端子（２２、２３）間に直列接続した状態と並列接続し
た状態とを交互に生じさせ、そして、前記スイッチング
素子の通電率に応じたレベルの出力電圧（Vs）を前記出
力端子（２２、２３）に出力する直並列チョッパ回路
（２１、２６、２７、２８、２９、３０）と、前記出力端子（２２、２３）間に接続されたパワー型電
源デバイス（２４）と、前記直並列チョッパ回路（２１、２６、２７、２８、２
９、３０）の前記スイッチング素子（２１３）を駆動し
てオンオフ動作を行わせ、そして、前記スイッチング素
子（２１３）の通電率を制御することにより前記出力電
圧（Vs）のレベルを増減するコントローラ（２５）とを
備えたハイブリッド電源システム。
【請求項２】前記直並列チョッパ回路（２１、２６、
２７、２８、２９、３０）が、前記出力端子（２２、２
３）から前記エネルギー型電源デバイス（２１１、２１
２）へ電気エネルギーを戻すための電流経路（２１９、
２２０、２２６、２２７）を更に有した請求項１記載の
ハイブリッド電源システム。
【請求項３】前記直並列チョッパ回路（２８）が、前
記出力端子（２２、２３）から戻された電気エネルギー
を一時的に蓄え且つ蓄えられた電気エネルギーを前記エ
ネルギー型電源デバイス（２１１、２１２）へ放出する
ためのインダクタ（２１４、２１５）と、前記インダク
タ（２１４、２１５）が電気エネルギーが蓄えそして放
出するように前記インダクタ（２１４、２１５）に流れ
る電流を制御する電流制御手段（２２４）とを更に有し
た請求項２記載のハイブリッド電源システム。
【請求項４】直並列チョッパ回路（２９、３０）が、
前記出力端子（２２、２３）から前記エネルギー型電源
デバイス（２１１、２１２）の各々へ個別に電気エネル
ギーを戻すための電流経路（２２６、２２７）を更に有
した請求項１記載のハイブリッド電源システム。
【請求項５】直並列チョッパ回路（２７、２８、２
９、３０）が、前記出力端子（２２、２３）から前記エ
ネルギー型電源デバイス（２１１、２１２）へ電気エネ
ルギーを戻すときに、前記エネルギー型電源デバイス
（２１１、２１２）の充電電流の大きさを制御するため
の電流制御手段（２５、２２０、２２４、２２６、２２
７）を更に有した請求項２〜４のいずれか一項記載のハ
イブリッド電源システム。