JP2004056995A - ハイブリッド電源システム - Google Patents
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Abstract
【課題】高効率のエネルギマネジメントを実現するハイブリッド電源システムを提供すること。
【解決手段】一対のキャパシタ端子（１１及び１２）を有する電気二重層キャパシタ（１０）と、エネルギ貯蔵装置（７０ａ）と、第１及び第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（３０ａ及び３０ｂ）とを有するハイブリッド電源システムにおいて、前記電気二重層キャパシタの一対のキャパシタ端子は、前記第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して負荷（６０ａ）と接続されており、また、前記電気二重層キャパシタの一対のキャパシタ端子は、前記第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記エネルギ貯蔵装置と接続されていることを特徴とするハイブリッド電源システム。
【選択図】 図３
【解決手段】一対のキャパシタ端子（１１及び１２）を有する電気二重層キャパシタ（１０）と、エネルギ貯蔵装置（７０ａ）と、第１及び第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（３０ａ及び３０ｂ）とを有するハイブリッド電源システムにおいて、前記電気二重層キャパシタの一対のキャパシタ端子は、前記第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して負荷（６０ａ）と接続されており、また、前記電気二重層キャパシタの一対のキャパシタ端子は、前記第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記エネルギ貯蔵装置と接続されていることを特徴とするハイブリッド電源システム。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷（これは、発電機としても作用する）、エネルギ貯蔵装置、双方向ＤＣ／ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ／Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）コンバータ、ならびに電気二重層キャパシタとを備えることを特徴としたハイブリッド電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、安定した出力が出せる二次電池と大電流の充放電特性に優れた電気二重層キャパシタを組み合わせて急激な負荷の変動に対応できて、かつエネルギ回生もできるハイブリッド電源として使おうとする試みが盛んに行われている。しかし、電気二重層キャパシタと二次電池をただ単に接続しただけでは、電気二重層キャパシタに蓄えられたエネルギを取り出すことはできず、そのエネルギを取り出すためには別途に回路を設置する必要がある。
【０００３】
図１１は、従来のエネルギ回生機能を有する電源システムのブロック図である。図１２は、図１１の電源システムの回路図である。図１１及び図１２は、特許文献１に電気自動車用エネルギ回生装置として開示されている。
【０００４】
図１１及び図１２において、本電源システムは、エネルギ貯蔵装置である二次電池８０と電気二重層キャパシタ１０の間にＤＣ／ＤＣコンバータ１１２を挿入し、通常走行時は二次電池８０でモータ／インバータ９０（これは、負荷として作用する）を駆動し、制動時にモータ／インバータ９０（この際、これは、発電機として作用する）で生じたエネルギを電気二重層キャパシタ１０にエネルギを蓄え、そのエネルギをＤＣ／ＤＣコンバータ１１２及び整流素子（ダイオード）１１１を介して二次電池８０に充電する。このシステムにより、制動時におけるエネルギ回収効率は向上する。
【０００５】
しかし、回収されたエネルギは、二次電池に戻されてから利用されるため、そのエネルギを利用する場面、例えば加速時においては、二次電池は大電流の放電を行うことで劣化を早め、また内部抵抗による損失をも生み出す。
【０００６】
特許文献２には、電気二重層キャパシタの電圧をそろえる電圧平準化装置の一例が開示されている。
【０００７】
特許文献３には、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが開示され、特許文献４にも、同様の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが双方向型昇降圧チョッパ回路として開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−２５３５０３号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開２００１−１３６６６０号公報
【００１０】
【特許文献３】
特開２０００−３３３４４５号公報
【００１１】
【特許文献４】
特開２００１−２６８９００号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図１１及び図１２に図示された、二次電池と、電気二重層キャパシタと、発電装置としてのモータとを有する電源システムにおいて、二次電池と電気二重層キャパシタの特性を十分発揮するには、安定した電力が必要な時には二次電池から負荷に電力を供給し、大きな電力を必要とする時には電気二重層キャパシタから電力を供給するのが最も望ましい方法であり、このような高効率のエネルギマネジメントを実現するシステム構築が大きな課題になっている。
【００１３】
上記内容は二次電池以外のエネルギ貯蔵装置を用いた電源システムにおいても同様で、負荷の急激な変動に対応できて、かつ安定した出力が得られる電源システムを構築する上で、エネルギ貯蔵装置と電気二重層キャパシタとのハイブリッド化は重要な課題である。
【００１４】
本発明の目的は、高効率のエネルギマネジメントを実現するハイブリッド電源システムを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によるハイブリッド電源システムは、以下のとおりである。
【００１６】
１） 一対のキャパシタ端子（１１及び１２）を有する電気二重層キャパシタ（１０）と、エネルギ貯蔵装置（７０ａ）と、第１及び第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（３０ａ及び３０ｂ）とを有するハイブリッド電源システムにおいて、前記電気二重層キャパシタの一対のキャパシタ端子は、前記第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して負荷（６０ａ）と接続されており、また、前記電気二重層キャパシタの一対のキャパシタ端子は、前記第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記エネルギ貯蔵装置と接続されていることを特徴とするハイブリッド電源システム。
【００１７】
２） 上述の１）項に記載のハイブリッド電源システムにおいて、前記第１及び前記第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの少なくとも一方は対称形ＤＣ／ＤＣコンバータであり、この対称形ＤＣ／ＤＣコンバータは、一対のインダクタ端子を有する１個のインダクタ（３１）と、前記一対のインダクタ端子に、前記インダクタに対して互いに対称形となるように接続された一対のスイッチ部分（３２及び３３）とを有し、前記対称形ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記一対のスイッチ部分の一方を入力スイッチ、他方を出力スイッチとしたとき、昇圧コンバータおよび降圧コンバータのいずれとしても動作し、逆に、前記一対のスイッチ部分の前記一方を出力スイッチ、前記他方を入力スイッチとしたときも、昇圧コンバータおよび降圧コンバータのいずれとしても動作するものであることを特徴とするハイブリッド電源システム。
【００１８】
３） 上述の１）項に記載のハイブリッド電源システムにおいて、前記負荷は発電機（９０）を含んでいることを特徴とするハイブリッド電源システム。
【００１９】
４） 上述の１）項に記載のハイブリッド電源システムにおいて、前記エネルギ貯蔵装置は二次電池を含んでいることを特徴とするハイブリッド電源システム。
【００２０】
５） 上述の１）項に記載のハイブリッド電源システムにおいて、前記電気二重層キャパシタは、直列接続された複数個の電気二重層キャパシタ（１０’）を含んでおり、前記ハイブリッド電源システムは、更に、前記複数個の電気二重層キャパシタの個々の電圧をそろえる電圧平準化装置（２０）を有することを特徴とするハイブリッド電源システム。
【００２１】
６） 上述の１）項に記載のハイブリッド電源システムにおいて、前記ハイブリッド電源システムは、別のエネルギ貯蔵装置（７０ｂ）と別の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（３０ｂ’）とを更に有し、前記電気二重層キャパシタの前記一対のキャパシタ端子は、また、前記別の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記別のエネルギ貯蔵装置と接続されていることを特徴とするハイブリッド電源システム。
【００２２】
７） 上述の１）項に記載のハイブリッド電源システムにおいて、前記ハイブリッド電源システムは、別の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（３０ａ’）を更に有し、前記電気二重層キャパシタの前記一対のキャパシタ端子は、また、前記別の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して別の負荷と接続されていることを特徴とするハイブリッド電源システム。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に述べられるように本発明のハイブリッド電源システムでは、２台の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを負荷と電気二重層キャパシタ、ならびにエネルギ貯蔵装置を用いて、第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータで負荷と電気二重層キャパシタを接続し、また第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータでエネルギ貯蔵装置と該電気二重層キャパシタを接続して、負荷の変動等により大きな電流が必要になったときは電気二重層キャパシタから第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して負荷にエネルギを供給してエネルギ貯蔵装置を補助し、その一方で、通常時は電気二重層キャパシタに蓄えられたエネルギを第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介してエネルギ貯蔵装置にエネルギを蓄えることで、エネルギの利用効率に優れたハイブリッド電源システムを提供する。
【００２４】
また、本発明では、第１、第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの少なくとも一方は対称形ＤＣ／ＤＣコンバータであり、この対称形ＤＣ／ＤＣコンバータは、一対のインダクタ端子を有する１個のインダクタと、前記一対のインダクタ端子に、前記インダクタに対して互いに対称形となるように接続された一対のスイッチ部分とを有し、前記対称形ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記一対のスイッチ部分の一方を入力スイッチ、他方を出力スイッチとしたとき、昇圧コンバータおよび降圧コンバータのいずれとしても動作し、逆に、前記一対のスイッチ部分の前記一方を出力スイッチ、前記他方を入力スイッチとしたときも、昇圧コンバータおよび降圧コンバータのいずれとしても動作するものである。この構成により、設計の自由度を向上させた汎用性の高いハイブリッド電源システムが得られる。
【００２５】
また、本発明は、負荷を発電装置としてエネルギ回生を行う場合も、負荷から生じた電気エネルギを第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して電気二重層キャパシタに回生することで、エネルギの回生率を改善し、エネルギの利用効率を向上させたハイブリッド電源システムを提供する。
【００２６】
また、本発明は、さらに、エネルギ貯蔵装置として二次電池を備えることで電気二重層キャパシタに蓄えられた回生エネルギを第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して二次電池に効率よく蓄えられる汎用性の高いハイブリッド電源システムを提供する。
【００２７】
また、本発明は、電気二重層キャパシタを直並列に接続して使用する場合にも、低損失の電圧平準化装置を用いて電気二重層キャパシタの個々の電圧をそろえることにより電気二重層キャパシタの性能を最大限に利用できるハイブリッド電源システムを提供する。
【００２８】
また、本発明は、複数個のエネルギ貯蔵装置をそれぞれ異なる双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して電気二重層キャパシタに接続することで、エネルギ貯蔵装置で蓄えようとするエネルギ量を自由に分担できるハイブリッド電源システムを提供し、複数個の負荷をそれぞれ異なる双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して電気二重層キャパシタと接続することで、利用するエネルギを自由に分配できるハイブリッド電源システムを提供する。
【００２９】
以下、本発明の実施例によるハイブリッド電源システムについて、図面を参照して説明する。
【００３０】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例によるハイブリッド電源システムのブロック図である。図２は、図１に図示されたハイブリッド電源システムの回路図である。図１及び図２は、本発明を電気自動車のエネルギ回生システムに適用した場合を示している。
【００３１】
図１及び図２において、このハイブリッド電源システムは、一対のキャパシタ端子１１及び１２を有する電気二重層キャパシタ１０と、第１及び第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ａ及び３０ｂと、エネルギ貯蔵装置としての二次電池８０と、負荷としてのモータ／インバータ（モータ及びインバータ）９０とを有する。詳細には、電気二重層キャパシタ１０の一対のキャパシタ端子１１及び１２は、第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ａを介してモータ／インバータ（負荷）９０と接続されており、また、電気二重層キャパシタ１０の一対のキャパシタ端子１１及び１２は、第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ｂを介して二次電池（エネルギ貯蔵装置）８０と接続されている。
【００３２】
ここで、第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ａが、モータ／インバータ９０の制御を行う。大電流が必要な発進時ならびに加速時には、第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ｂが電気二重層キャパシタ１０の出力電力を制御しながら、電気二重層キャパシタ１０と二次電池８０の両方からモータ／インバータ９０に電力を供給する。
【００３３】
ここで、以後、第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ａは、駆動用と回生用とに使用される双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと定義し、また、第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ｂは、充電用と放電用に使用される双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと定義して説明する。
【００３４】
減速時はモータ／インバータ９０を発電機として使い、生じた電気エネルギは、第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ａで電気二重層キャパシタ１０の仕様に見合った電圧にして電気二重層キャパシタ１０に充電する。また、通常、走行時は、二次電池８０からモータ／インバータ９０にエネルギが供給される。二次電池８０のエネルギが、ある程度減少した場合は、電気二重層キャパシタ１０から第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ｂを介して二次電池８０に充電する。また、電気二重層キャパシタ１０のエネルギが減少しているならば、二次電池８０から第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ｂを介して電気二重層キャパシタ１０に足りないエネルギを供給することもできる。
【００３５】
この構成によって、二次電池、キャパシタ、モータのそれぞれの電圧がどのようになっていても、任意の装置から別の任意の装置へ任意のエネルギー量を自由に移送することが可能となる。
【００３６】
（実施例２）
図３を参照すると、本発明の第２の実施例によるハイブリッド電源システムは、エネルギ貯蔵装置７０ａと負荷６０ａとを含む。本ハイブリッド電源システムは、更に、電圧平準化装置２０を含む。図４は、図３に図示されたハイブリッド電源システムの回路図である。図５は、図３及び図４に図示されたハイブリッド電源システムにおいて使用される電気二重層キャパシタ１０及び電圧平準化装置２０が示されている。
【００３７】
図３、図４、及び図５において、電気二重層キャパシタ１０は、直列及び並列接続された複数個の電気二重層キャパシタ１０’を含む。電圧平準化装置２０は、複数個の電気二重層キャパシタ１０’の個々の電圧をそろえるためのものである。
【００３８】
電気二重層キャパシタ１０’を図５のように直列接続して使用する場合、各々の電気二重層キャパシタ１０’は自己放電特性が異なるために充放電を繰り返すうちに徐々に電圧がばらついてきて、エネルギ密度が低くなる。従って、電気二重層キャパシタ１０のエネルギ密度を維持するためには、適当な時期に電圧平準化装置２０を用いて電気二重層キャパシタ１０’の電圧をそろえることが必要になる。電圧平準化の方法としては、ツェナーダイオード等の定電圧素子を用いる方法や、直並列を切り替える方法、電気二重層キャパシタ間でエネルギを移送する方法（特許文献２参照）など、どのような方法を用いてもかまわない。
【００３９】
（実施例３）
図６は、本発明の第３の実施例によるハイブリッド電源システムのブロック図である。このハイブリッド電源システムでは、エネルギ貯蔵装置７０ａ及び７０ｂは、それぞれ別々の第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ｂ及び３０ｂ’を介して電気二重層キャパシタ１０に接続される。図７は、図６に図示されたハイブリッド電源システムの回路図である。図６及び図７において、電気二重層キャパシタ１０に接続されるエネルギ貯蔵装置７０ａ及び７０ｂは、同一種類でもよいし、また互いに異なっていてもかまわない。エネルギ貯蔵装置の個数はいくつでもかまわない。
【００４０】
（実施例４）
図８は、本発明の第４の実施例によるハイブリッド電源システムのブロック図である。このハイブリッド電源システムでは、複数の負荷６０ａ及び６０ｂは、それぞれ別の第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ａ及び３０ａ’を介して電気二重層キャパシタ１０に接続される。図９は、図８に図示されたハイブリッド電源システムの回路図である。図８及び図９において、接続される負荷６０ａ、６０ｂは、同一種類でもよいし、また互いに異なっていてもかまわない。負荷の個数はいくつでもかまわない。一般に、エネルギ貯蔵装置は、二次電池に限らず、フライホイールなどの充放電ができるものならどのようなものでもかまわない。負荷も同様に、モータに限らず、どのようなものでもかまわない。
【００４１】
また、図１、図２、図３、図４、図６、図７、図８、及び図９に図示されたハイブリッド電源システムにおいて双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの各々として、昇降圧動作を自由に制御できる双方向ＤＣ／ＤＣコンバータである、図１０に示された、対称形ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることができる。この対称形ＤＣ／ＤＣコンバータは、特願２００１−３６９５３２に記載されている。
【００４２】
図１０において、この対称形ＤＣ／ＤＣコンバータは、一対のインダクタ端子を有する１個のインダクタ３１と、一対のインダクタ端子に、インダクタ３１に対して互いに対称形となるように接続された一対のスイッチ部分３２及び３３とを有する。この対称形ＤＣ／ＤＣコンバータは、一対のスイッチ部分３２及び３３の一方を入力スイッチ、他方を出力スイッチとしたとき、昇圧コンバータおよび降圧コンバータのいずれとしても動作し、逆に、一対のスイッチ部分３２及び３３の前記一方を出力スイッチ、前記他方を入力スイッチとしたときも、昇圧コンバータおよび降圧コンバータのいずれとしても動作するものである。
【００４３】
詳細には、この対称形ＤＣ／ＤＣコンバータは、インダクタ３１と、インダクタ３１の一端に接続された一端を有する第１及び第２のスイッチ部３５及び３６と、インダクタ３１の他端に接続された一端を有する第３及び第４のスイッチ部３７及び３８と、第１乃至第４のスイッチ部３５、４６、３７、及び３８の他端にそれぞれ接続された第１乃至第４の端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、及びＴ４と、第１及び第２の端子Ｔ１及びＴ２間及び第３及び第４の端子Ｔ３及びＴ４間の接続された一対のキャパシタ３４とを有する。第２及び第４の端子Ｔ２及びＴ４は互いに接続されている。
【００４４】
また、下記表１は、第１及び第２の端子Ｔ１及びＴ２を入力端子、第３及び第４の端子Ｔ３及びＴ４を出力端子にした第１の場合と、第１及び第２の端子Ｔ１及びＴ２を出力端子、第３及び第４の端子Ｔ３及びＴ４を入力端子にした第２の場合とに分けて、第１乃至第４のスイッチ部３５、３６、３７、及び３８の状態が示されている。前記第１の場合及び前記第２の場合の各々に対して、昇圧動作及び降圧動作を行わせるための第１乃至第４のスイッチ部３５、３６、３７、及び３８の状態が示されている。
【００４５】
【表１】
【００４６】
上記表１中で「ＯＮ」は短絡状態、「ＯＦＦ」は開放状態、「ＳＷ」は、例えばＰＷＭ制御などで適当な昇圧比もしくは降圧比になるようにＯＮ−ＯＦＦを断続的に行い制御する状態、「Ｄ］は整流動作を示している。
【００４７】
このように、この対称形ＤＣ／ＤＣコンバータは、一対のスイッチ部分３２及び３３の一方を入力スイッチ、他方を出力スイッチとしたとき、昇圧コンバータおよび降圧コンバータのいずれとしても動作し、逆に、一対のスイッチ部分３２及び３３の前記一方を出力スイッチ、前記他方を入力スイッチとしたときも、昇圧コンバータおよび降圧コンバータのいずれとしても動作するものである。
【００４８】
このような昇降圧動作を自由に制御できる双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであり図１０に示した対称形ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることで、さらに効率よくエネルギを電気二重層キャパシタ１０に吸収できるようになり、かつ放電時には任意の電圧でエネルギが取り出せるようになるなど、ハイブリッド電源システムの設計の自由度が向上し、汎用性も向上する。
【００４９】
本発明の製品応用例として、ハイブリッド車に本発明によるハイブリッド電源システムを適用する場合を考えると、これまでモータの最大出力によって二次電池の大きさが決まってしまっていたところをモータの最大出力に必要な分を電気二重層キャパシタに負担させることができる。その結果、二次電池に要求されるエネルギは、電装品用と通常走行用のエネルギで十分なので、現行以上の性能でかつ小型化が可能になり、エネルギの利用効率だけでなく輸送効率も向上する。また、大電流の充放電は、電気二重層キャパシタが受け持つので、エネルギ貯蔵装置である二次電池の寿命が大幅に延びる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明により、従来の電源システムとほぼ同様の性能で小型、軽量、長寿命、エネルギ利用効率が高いハイブリッド電源システムを構築できる。電気自動車等の輸送機器においては、本発明によるハイブリッド電源システムを適用することで輸送効率が大幅に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例によるハイブリッド電源システムのブロック図である。
【図２】図１に図示されたハイブリッド電源システムの回路図である。
【図３】本発明の第２の実施例によるハイブリッド電源システムのブロック図である。
【図４】図３に図示されたハイブリッド電源システムの回路図である。
【図５】図３に図示されたハイブリッド電源システムにおいて使用される電気二重層キャパシタ及び電圧平準化装置のブロック図である。
【図６】本発明の第３の実施例によるハイブリッド電源システムのブロック図である。
【図７】図６に図示されたハイブリッド電源システムの回路図である。
【図８】本発明の第４の実施例によるハイブリッド電源システムのブロック図である。
【図９】図８に図示されたハイブリッド電源システムの回路図である。
【図１０】図１、図２、図３、図４、図６、図７、図８、及び図９に図示されたハイブリッド電源システムにおいて双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの各々として使用され得る対称形ＤＣ／ＤＣコンバータのブロック図である。
【図１１】従来のエネルギ回生機能を有する電源システムのブロック図である。
【図１２】図１１に図示された電源システムの回路図である。
【符号の説明】
１０ 電気二重層キャパシタ
１１及び１２ 一対のキャパシタ端子
２０ 電圧平準化装置
３０ａ 第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
３０ｂ 第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
６０ａ 負荷
７０ａ エネルギ貯蔵装置
８０ 二次電池
９０ モータ／インバータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷（これは、発電機としても作用する）、エネルギ貯蔵装置、双方向ＤＣ／ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ／Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）コンバータ、ならびに電気二重層キャパシタとを備えることを特徴としたハイブリッド電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、安定した出力が出せる二次電池と大電流の充放電特性に優れた電気二重層キャパシタを組み合わせて急激な負荷の変動に対応できて、かつエネルギ回生もできるハイブリッド電源として使おうとする試みが盛んに行われている。しかし、電気二重層キャパシタと二次電池をただ単に接続しただけでは、電気二重層キャパシタに蓄えられたエネルギを取り出すことはできず、そのエネルギを取り出すためには別途に回路を設置する必要がある。
【０００３】
図１１は、従来のエネルギ回生機能を有する電源システムのブロック図である。図１２は、図１１の電源システムの回路図である。図１１及び図１２は、特許文献１に電気自動車用エネルギ回生装置として開示されている。
【０００４】
図１１及び図１２において、本電源システムは、エネルギ貯蔵装置である二次電池８０と電気二重層キャパシタ１０の間にＤＣ／ＤＣコンバータ１１２を挿入し、通常走行時は二次電池８０でモータ／インバータ９０（これは、負荷として作用する）を駆動し、制動時にモータ／インバータ９０（この際、これは、発電機として作用する）で生じたエネルギを電気二重層キャパシタ１０にエネルギを蓄え、そのエネルギをＤＣ／ＤＣコンバータ１１２及び整流素子（ダイオード）１１１を介して二次電池８０に充電する。このシステムにより、制動時におけるエネルギ回収効率は向上する。
【０００５】
しかし、回収されたエネルギは、二次電池に戻されてから利用されるため、そのエネルギを利用する場面、例えば加速時においては、二次電池は大電流の放電を行うことで劣化を早め、また内部抵抗による損失をも生み出す。
【０００６】
特許文献２には、電気二重層キャパシタの電圧をそろえる電圧平準化装置の一例が開示されている。
【０００７】
特許文献３には、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが開示され、特許文献４にも、同様の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが双方向型昇降圧チョッパ回路として開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−２５３５０３号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開２００１−１３６６６０号公報
【００１０】
【特許文献３】
特開２０００−３３３４４５号公報
【００１１】
【特許文献４】
特開２００１−２６８９００号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図１１及び図１２に図示された、二次電池と、電気二重層キャパシタと、発電装置としてのモータとを有する電源システムにおいて、二次電池と電気二重層キャパシタの特性を十分発揮するには、安定した電力が必要な時には二次電池から負荷に電力を供給し、大きな電力を必要とする時には電気二重層キャパシタから電力を供給するのが最も望ましい方法であり、このような高効率のエネルギマネジメントを実現するシステム構築が大きな課題になっている。
【００１３】
上記内容は二次電池以外のエネルギ貯蔵装置を用いた電源システムにおいても同様で、負荷の急激な変動に対応できて、かつ安定した出力が得られる電源システムを構築する上で、エネルギ貯蔵装置と電気二重層キャパシタとのハイブリッド化は重要な課題である。
【００１４】
本発明の目的は、高効率のエネルギマネジメントを実現するハイブリッド電源システムを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によるハイブリッド電源システムは、以下のとおりである。
【００１６】
１） 一対のキャパシタ端子（１１及び１２）を有する電気二重層キャパシタ（１０）と、エネルギ貯蔵装置（７０ａ）と、第１及び第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（３０ａ及び３０ｂ）とを有するハイブリッド電源システムにおいて、前記電気二重層キャパシタの一対のキャパシタ端子は、前記第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して負荷（６０ａ）と接続されており、また、前記電気二重層キャパシタの一対のキャパシタ端子は、前記第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記エネルギ貯蔵装置と接続されていることを特徴とするハイブリッド電源システム。
【００１７】
２） 上述の１）項に記載のハイブリッド電源システムにおいて、前記第１及び前記第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの少なくとも一方は対称形ＤＣ／ＤＣコンバータであり、この対称形ＤＣ／ＤＣコンバータは、一対のインダクタ端子を有する１個のインダクタ（３１）と、前記一対のインダクタ端子に、前記インダクタに対して互いに対称形となるように接続された一対のスイッチ部分（３２及び３３）とを有し、前記対称形ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記一対のスイッチ部分の一方を入力スイッチ、他方を出力スイッチとしたとき、昇圧コンバータおよび降圧コンバータのいずれとしても動作し、逆に、前記一対のスイッチ部分の前記一方を出力スイッチ、前記他方を入力スイッチとしたときも、昇圧コンバータおよび降圧コンバータのいずれとしても動作するものであることを特徴とするハイブリッド電源システム。
【００１８】
３） 上述の１）項に記載のハイブリッド電源システムにおいて、前記負荷は発電機（９０）を含んでいることを特徴とするハイブリッド電源システム。
【００１９】
４） 上述の１）項に記載のハイブリッド電源システムにおいて、前記エネルギ貯蔵装置は二次電池を含んでいることを特徴とするハイブリッド電源システム。
【００２０】
５） 上述の１）項に記載のハイブリッド電源システムにおいて、前記電気二重層キャパシタは、直列接続された複数個の電気二重層キャパシタ（１０’）を含んでおり、前記ハイブリッド電源システムは、更に、前記複数個の電気二重層キャパシタの個々の電圧をそろえる電圧平準化装置（２０）を有することを特徴とするハイブリッド電源システム。
【００２１】
６） 上述の１）項に記載のハイブリッド電源システムにおいて、前記ハイブリッド電源システムは、別のエネルギ貯蔵装置（７０ｂ）と別の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（３０ｂ’）とを更に有し、前記電気二重層キャパシタの前記一対のキャパシタ端子は、また、前記別の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記別のエネルギ貯蔵装置と接続されていることを特徴とするハイブリッド電源システム。
【００２２】
７） 上述の１）項に記載のハイブリッド電源システムにおいて、前記ハイブリッド電源システムは、別の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（３０ａ’）を更に有し、前記電気二重層キャパシタの前記一対のキャパシタ端子は、また、前記別の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して別の負荷と接続されていることを特徴とするハイブリッド電源システム。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に述べられるように本発明のハイブリッド電源システムでは、２台の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを負荷と電気二重層キャパシタ、ならびにエネルギ貯蔵装置を用いて、第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータで負荷と電気二重層キャパシタを接続し、また第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータでエネルギ貯蔵装置と該電気二重層キャパシタを接続して、負荷の変動等により大きな電流が必要になったときは電気二重層キャパシタから第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して負荷にエネルギを供給してエネルギ貯蔵装置を補助し、その一方で、通常時は電気二重層キャパシタに蓄えられたエネルギを第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介してエネルギ貯蔵装置にエネルギを蓄えることで、エネルギの利用効率に優れたハイブリッド電源システムを提供する。
【００２４】
また、本発明では、第１、第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの少なくとも一方は対称形ＤＣ／ＤＣコンバータであり、この対称形ＤＣ／ＤＣコンバータは、一対のインダクタ端子を有する１個のインダクタと、前記一対のインダクタ端子に、前記インダクタに対して互いに対称形となるように接続された一対のスイッチ部分とを有し、前記対称形ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記一対のスイッチ部分の一方を入力スイッチ、他方を出力スイッチとしたとき、昇圧コンバータおよび降圧コンバータのいずれとしても動作し、逆に、前記一対のスイッチ部分の前記一方を出力スイッチ、前記他方を入力スイッチとしたときも、昇圧コンバータおよび降圧コンバータのいずれとしても動作するものである。この構成により、設計の自由度を向上させた汎用性の高いハイブリッド電源システムが得られる。
【００２５】
また、本発明は、負荷を発電装置としてエネルギ回生を行う場合も、負荷から生じた電気エネルギを第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して電気二重層キャパシタに回生することで、エネルギの回生率を改善し、エネルギの利用効率を向上させたハイブリッド電源システムを提供する。
【００２６】
また、本発明は、さらに、エネルギ貯蔵装置として二次電池を備えることで電気二重層キャパシタに蓄えられた回生エネルギを第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して二次電池に効率よく蓄えられる汎用性の高いハイブリッド電源システムを提供する。
【００２７】
また、本発明は、電気二重層キャパシタを直並列に接続して使用する場合にも、低損失の電圧平準化装置を用いて電気二重層キャパシタの個々の電圧をそろえることにより電気二重層キャパシタの性能を最大限に利用できるハイブリッド電源システムを提供する。
【００２８】
また、本発明は、複数個のエネルギ貯蔵装置をそれぞれ異なる双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して電気二重層キャパシタに接続することで、エネルギ貯蔵装置で蓄えようとするエネルギ量を自由に分担できるハイブリッド電源システムを提供し、複数個の負荷をそれぞれ異なる双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して電気二重層キャパシタと接続することで、利用するエネルギを自由に分配できるハイブリッド電源システムを提供する。
【００２９】
以下、本発明の実施例によるハイブリッド電源システムについて、図面を参照して説明する。
【００３０】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例によるハイブリッド電源システムのブロック図である。図２は、図１に図示されたハイブリッド電源システムの回路図である。図１及び図２は、本発明を電気自動車のエネルギ回生システムに適用した場合を示している。
【００３１】
図１及び図２において、このハイブリッド電源システムは、一対のキャパシタ端子１１及び１２を有する電気二重層キャパシタ１０と、第１及び第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ａ及び３０ｂと、エネルギ貯蔵装置としての二次電池８０と、負荷としてのモータ／インバータ（モータ及びインバータ）９０とを有する。詳細には、電気二重層キャパシタ１０の一対のキャパシタ端子１１及び１２は、第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ａを介してモータ／インバータ（負荷）９０と接続されており、また、電気二重層キャパシタ１０の一対のキャパシタ端子１１及び１２は、第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ｂを介して二次電池（エネルギ貯蔵装置）８０と接続されている。
【００３２】
ここで、第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ａが、モータ／インバータ９０の制御を行う。大電流が必要な発進時ならびに加速時には、第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ｂが電気二重層キャパシタ１０の出力電力を制御しながら、電気二重層キャパシタ１０と二次電池８０の両方からモータ／インバータ９０に電力を供給する。
【００３３】
ここで、以後、第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ａは、駆動用と回生用とに使用される双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと定義し、また、第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ｂは、充電用と放電用に使用される双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと定義して説明する。
【００３４】
減速時はモータ／インバータ９０を発電機として使い、生じた電気エネルギは、第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ａで電気二重層キャパシタ１０の仕様に見合った電圧にして電気二重層キャパシタ１０に充電する。また、通常、走行時は、二次電池８０からモータ／インバータ９０にエネルギが供給される。二次電池８０のエネルギが、ある程度減少した場合は、電気二重層キャパシタ１０から第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ｂを介して二次電池８０に充電する。また、電気二重層キャパシタ１０のエネルギが減少しているならば、二次電池８０から第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ｂを介して電気二重層キャパシタ１０に足りないエネルギを供給することもできる。
【００３５】
この構成によって、二次電池、キャパシタ、モータのそれぞれの電圧がどのようになっていても、任意の装置から別の任意の装置へ任意のエネルギー量を自由に移送することが可能となる。
【００３６】
（実施例２）
図３を参照すると、本発明の第２の実施例によるハイブリッド電源システムは、エネルギ貯蔵装置７０ａと負荷６０ａとを含む。本ハイブリッド電源システムは、更に、電圧平準化装置２０を含む。図４は、図３に図示されたハイブリッド電源システムの回路図である。図５は、図３及び図４に図示されたハイブリッド電源システムにおいて使用される電気二重層キャパシタ１０及び電圧平準化装置２０が示されている。
【００３７】
図３、図４、及び図５において、電気二重層キャパシタ１０は、直列及び並列接続された複数個の電気二重層キャパシタ１０’を含む。電圧平準化装置２０は、複数個の電気二重層キャパシタ１０’の個々の電圧をそろえるためのものである。
【００３８】
電気二重層キャパシタ１０’を図５のように直列接続して使用する場合、各々の電気二重層キャパシタ１０’は自己放電特性が異なるために充放電を繰り返すうちに徐々に電圧がばらついてきて、エネルギ密度が低くなる。従って、電気二重層キャパシタ１０のエネルギ密度を維持するためには、適当な時期に電圧平準化装置２０を用いて電気二重層キャパシタ１０’の電圧をそろえることが必要になる。電圧平準化の方法としては、ツェナーダイオード等の定電圧素子を用いる方法や、直並列を切り替える方法、電気二重層キャパシタ間でエネルギを移送する方法（特許文献２参照）など、どのような方法を用いてもかまわない。
【００３９】
（実施例３）
図６は、本発明の第３の実施例によるハイブリッド電源システムのブロック図である。このハイブリッド電源システムでは、エネルギ貯蔵装置７０ａ及び７０ｂは、それぞれ別々の第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ｂ及び３０ｂ’を介して電気二重層キャパシタ１０に接続される。図７は、図６に図示されたハイブリッド電源システムの回路図である。図６及び図７において、電気二重層キャパシタ１０に接続されるエネルギ貯蔵装置７０ａ及び７０ｂは、同一種類でもよいし、また互いに異なっていてもかまわない。エネルギ貯蔵装置の個数はいくつでもかまわない。
【００４０】
（実施例４）
図８は、本発明の第４の実施例によるハイブリッド電源システムのブロック図である。このハイブリッド電源システムでは、複数の負荷６０ａ及び６０ｂは、それぞれ別の第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ａ及び３０ａ’を介して電気二重層キャパシタ１０に接続される。図９は、図８に図示されたハイブリッド電源システムの回路図である。図８及び図９において、接続される負荷６０ａ、６０ｂは、同一種類でもよいし、また互いに異なっていてもかまわない。負荷の個数はいくつでもかまわない。一般に、エネルギ貯蔵装置は、二次電池に限らず、フライホイールなどの充放電ができるものならどのようなものでもかまわない。負荷も同様に、モータに限らず、どのようなものでもかまわない。
【００４１】
また、図１、図２、図３、図４、図６、図７、図８、及び図９に図示されたハイブリッド電源システムにおいて双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの各々として、昇降圧動作を自由に制御できる双方向ＤＣ／ＤＣコンバータである、図１０に示された、対称形ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることができる。この対称形ＤＣ／ＤＣコンバータは、特願２００１−３６９５３２に記載されている。
【００４２】
図１０において、この対称形ＤＣ／ＤＣコンバータは、一対のインダクタ端子を有する１個のインダクタ３１と、一対のインダクタ端子に、インダクタ３１に対して互いに対称形となるように接続された一対のスイッチ部分３２及び３３とを有する。この対称形ＤＣ／ＤＣコンバータは、一対のスイッチ部分３２及び３３の一方を入力スイッチ、他方を出力スイッチとしたとき、昇圧コンバータおよび降圧コンバータのいずれとしても動作し、逆に、一対のスイッチ部分３２及び３３の前記一方を出力スイッチ、前記他方を入力スイッチとしたときも、昇圧コンバータおよび降圧コンバータのいずれとしても動作するものである。
【００４３】
詳細には、この対称形ＤＣ／ＤＣコンバータは、インダクタ３１と、インダクタ３１の一端に接続された一端を有する第１及び第２のスイッチ部３５及び３６と、インダクタ３１の他端に接続された一端を有する第３及び第４のスイッチ部３７及び３８と、第１乃至第４のスイッチ部３５、４６、３７、及び３８の他端にそれぞれ接続された第１乃至第４の端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、及びＴ４と、第１及び第２の端子Ｔ１及びＴ２間及び第３及び第４の端子Ｔ３及びＴ４間の接続された一対のキャパシタ３４とを有する。第２及び第４の端子Ｔ２及びＴ４は互いに接続されている。
【００４４】
また、下記表１は、第１及び第２の端子Ｔ１及びＴ２を入力端子、第３及び第４の端子Ｔ３及びＴ４を出力端子にした第１の場合と、第１及び第２の端子Ｔ１及びＴ２を出力端子、第３及び第４の端子Ｔ３及びＴ４を入力端子にした第２の場合とに分けて、第１乃至第４のスイッチ部３５、３６、３７、及び３８の状態が示されている。前記第１の場合及び前記第２の場合の各々に対して、昇圧動作及び降圧動作を行わせるための第１乃至第４のスイッチ部３５、３６、３７、及び３８の状態が示されている。
【００４５】
【表１】
上記表１中で「ＯＮ」は短絡状態、「ＯＦＦ」は開放状態、「ＳＷ」は、例えばＰＷＭ制御などで適当な昇圧比もしくは降圧比になるようにＯＮ−ＯＦＦを断続的に行い制御する状態、「Ｄ］は整流動作を示している。
【００４７】
このように、この対称形ＤＣ／ＤＣコンバータは、一対のスイッチ部分３２及び３３の一方を入力スイッチ、他方を出力スイッチとしたとき、昇圧コンバータおよび降圧コンバータのいずれとしても動作し、逆に、一対のスイッチ部分３２及び３３の前記一方を出力スイッチ、前記他方を入力スイッチとしたときも、昇圧コンバータおよび降圧コンバータのいずれとしても動作するものである。
【００４８】
このような昇降圧動作を自由に制御できる双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであり図１０に示した対称形ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることで、さらに効率よくエネルギを電気二重層キャパシタ１０に吸収できるようになり、かつ放電時には任意の電圧でエネルギが取り出せるようになるなど、ハイブリッド電源システムの設計の自由度が向上し、汎用性も向上する。
【００４９】
本発明の製品応用例として、ハイブリッド車に本発明によるハイブリッド電源システムを適用する場合を考えると、これまでモータの最大出力によって二次電池の大きさが決まってしまっていたところをモータの最大出力に必要な分を電気二重層キャパシタに負担させることができる。その結果、二次電池に要求されるエネルギは、電装品用と通常走行用のエネルギで十分なので、現行以上の性能でかつ小型化が可能になり、エネルギの利用効率だけでなく輸送効率も向上する。また、大電流の充放電は、電気二重層キャパシタが受け持つので、エネルギ貯蔵装置である二次電池の寿命が大幅に延びる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明により、従来の電源システムとほぼ同様の性能で小型、軽量、長寿命、エネルギ利用効率が高いハイブリッド電源システムを構築できる。電気自動車等の輸送機器においては、本発明によるハイブリッド電源システムを適用することで輸送効率が大幅に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例によるハイブリッド電源システムのブロック図である。
【図２】図１に図示されたハイブリッド電源システムの回路図である。
【図３】本発明の第２の実施例によるハイブリッド電源システムのブロック図である。
【図４】図３に図示されたハイブリッド電源システムの回路図である。
【図５】図３に図示されたハイブリッド電源システムにおいて使用される電気二重層キャパシタ及び電圧平準化装置のブロック図である。
【図６】本発明の第３の実施例によるハイブリッド電源システムのブロック図である。
【図７】図６に図示されたハイブリッド電源システムの回路図である。
【図８】本発明の第４の実施例によるハイブリッド電源システムのブロック図である。
【図９】図８に図示されたハイブリッド電源システムの回路図である。
【図１０】図１、図２、図３、図４、図６、図７、図８、及び図９に図示されたハイブリッド電源システムにおいて双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの各々として使用され得る対称形ＤＣ／ＤＣコンバータのブロック図である。
【図１１】従来のエネルギ回生機能を有する電源システムのブロック図である。
【図１２】図１１に図示された電源システムの回路図である。
【符号の説明】
１０ 電気二重層キャパシタ
１１及び１２ 一対のキャパシタ端子
２０ 電圧平準化装置
３０ａ 第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
３０ｂ 第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
６０ａ 負荷
７０ａ エネルギ貯蔵装置
８０ 二次電池
９０ モータ／インバータ
Claims (7)
- 一対のキャパシタ端子（１１及び１２）を有する電気二重層キャパシタ（１０）と、エネルギ貯蔵装置（７０ａ）と、第１及び第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（３０ａ及び３０ｂ）とを有するハイブリッド電源システムにおいて、前記電気二重層キャパシタの一対のキャパシタ端子は、前記第１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して負荷（６０ａ）と接続されており、また、前記電気二重層キャパシタの一対のキャパシタ端子は、前記第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記エネルギ貯蔵装置と接続されていることを特徴とするハイブリッド電源システム。
- 請求項１に記載のハイブリッド電源システムにおいて、前記第１及び前記第２の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの少なくとも一方は対称形ＤＣ／ＤＣコンバータであり、この対称形ＤＣ／ＤＣコンバータは、一対のインダクタ端子を有する１個のインダクタ（３１）と、前記一対のインダクタ端子に、前記インダクタに対して互いに対称形となるように接続された一対のスイッチ部分（３２及び３３）とを有し、前記対称形ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記一対のスイッチ部分の一方を入力スイッチ、他方を出力スイッチとしたとき、昇圧コンバータおよび降圧コンバータのいずれとしても動作し、逆に、前記一対のスイッチ部分の前記一方を出力スイッチ、前記他方を入力スイッチとしたときも、昇圧コンバータおよび降圧コンバータのいずれとしても動作するものであることを特徴とするハイブリッド電源システム。
- 請求項１に記載のハイブリッド電源システムにおいて、前記負荷は発電機（９０）を含んでいることを特徴とするハイブリッド電源システム。
- 請求項１に記載のハイブリッド電源システムにおいて、前記エネルギ貯蔵装置は二次電池を含んでいることを特徴とするハイブリッド電源システム。
- 請求項１に記載のハイブリッド電源システムにおいて、前記電気二重層キャパシタは、直列接続された複数個の電気二重層キャパシタ（１０’）を含んでおり、前記ハイブリッド電源システムは、更に、前記複数個の電気二重層キャパシタの個々の電圧をそろえる電圧平準化装置（２０）を有することを特徴とするハイブリッド電源システム。
- 請求項１に記載のハイブリッド電源システムにおいて、前記ハイブリッド電源システムは、別のエネルギ貯蔵装置（７０ｂ）と別の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（３０ｂ’）とを更に有し、前記電気二重層キャパシタの前記一対のキャパシタ端子は、また、前記別の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記別のエネルギ貯蔵装置と接続されていることを特徴とするハイブリッド電源システム。
- 請求項１に記載のハイブリッド電源システムにおいて、前記ハイブリッド電源システムは、別の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（３０ａ’）を更に有し、前記電気二重層キャパシタの前記一対のキャパシタ端子は、また、前記別の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して別の負荷と接続されていることを特徴とするハイブリッド電源システム。
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