JP2005065433A - 電気車輌用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 バッテリ充電器にトランスを用いずにバッテリと車両フレーム間の漏洩電流を防止し、所望充電時間で充電完了させられる電気車輌搭載の電源装置を提供する。
【解決手段】 車載のバッテリ２にはシール型（密閉型）のものを採用して、バッテリ２から車両の金属製フレームへ漏電が生じないようにする。３相２００Ｖ交流電源６からトランスレス構成のＤＣ／ＤＣコンバータ１４を介してシール型バッテリ２を充電する。充電中、車載の負荷回路２０やコントローラ１８を、バッテリ２やＤＣ／ＤＣコンバータ１４などの交流電源６に接続された回路から切り離すことで、負荷回路２０やコントローラ１８の低耐圧部品を保護する。充電中、負荷回路２０内のパイロットランプやコントローラ１８等の作動を確保するため、小容量の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１９により、負荷回路２０やコントローラ１８に小電力を供給する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、バッテリフォークリフトなどの電気車輌に搭載され、その電気車輌を駆動するための電力を蓄える充電式バッテリとこのバッテリを外部電源からの電力で充電するための充電器とを備えた電気車輌用電源装置に関する。

従来より、バッテリフォークリフトなどの電気車輌のフレーム上には、充電式バッテリとその充電器などからなる電源装置が搭載され、バッテリからの電力でモータを駆動して電気車輌を働かせるようになっている。バッテリの充電は、外部電源、例えば工場などの３相２００Ｖ交流電源、に車載の充電器を接続することで行われる。バッテリには、通常、蓄電セルに電解液を補充するための開口が設けられた開放型バッテリが用いられている。開放型バッテリでは、上記電解液注入口からバッテリケーシング表面に渡って付着した導電性の汚れ等によって、バッテリ電極と電気車輌の金属製のフレームとの間に導電経路ができる虞がある。もしバッテリの充電中にこの導電経路を通じてバッテリと車輌フレーム間に僅かでも電流が流れると、外部電源側に通常設けられている漏電遮断器が作動して、工場の停電や充電停止などの問題を引き起こすことがある。そこで、このような漏電の問題を無くすために、充電器として、二次側を一次側から絶縁した絶縁トランスを備えたものが一般的に採用されている。しかし、電気車輌用の充電器には大きい電流容量が要求され、かつ、外部の商用電源の周波数は５０Hz又は６０Hzと低いため、必然的に、充電器に組み込まれるトランスは大型で大重量である。

この充電トランスを小型軽量化するために、スイッチング回路などの高周波発信回路と高周波トランスからなるＤＣ／ＤＣコンバータを採用した充電器が開示されている（例えば、特許文献１）。このように高周波交流を採用することによってトランスをかなり小型軽量化することができる。また、トランスを用いないで整流器とトランジスタによるドロッパ回路と用いてバッテリを充電するトランスレス充電器の技術も開示されている（例えば、下記の特許文献２）。この技術によればドロッパ回路によって充電制御を行うことができる。

特開平７−３１０７５号公報（段落番号００１１〜００２２、図１〜図６参照） 特開２００２−３３０５５３号公報（段落番号００１４〜００３７、図１参照）

しかしながら、上記の特許文献１の技術は、絶縁型のトランスを小型軽量化して漏洩電流の発生を防止することができるというメリットはあるものの、高周波化するためのスイッチング回路や高周波特性を満足させるための高周波トランスなどによって充電器のコストが高くなってしまうなどの問題がある。また、上記の特許文献２の技術は、大型トランスの問題は解消しているが、開放型バッテリと車輌の金属フレーム間の漏洩電流の問題を解決していない。

さらに、従来から使用されているトランス式充電器は細かい充電制御を行うことが難しいという問題がある。そのため、例えば、料金の安い深夜電力の時間帯（７時間程度）の範囲内で充電を完了させることができず、満充電までに例えば１０時間程度かかってしまい、結果的に、電気料金が嵩んでしまうこともある。

本発明の目的は、充電器に大型のトランスを用いることなくバッテリ充電時に漏洩電流を発生させないようにした電気車輌用電源装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、所望充電時間でバッテリ充電を完了させることが容易な電気車輌用電源装置を提供することにある。

さらに、本発明のまた別の目的は、バッテリ充電時に電気車輌内の低耐圧部品を用いた回路を保護することにある。

本発明の一つの態様に従う、電気車輌内の所定回路に電力を供給するための前記電気車輌に搭載される電源装置は、前記所定回路へ供給されるべき電気エネルギーを蓄えるための、シール型バッテリを採用するか、又は前記電気車輌の金属製フレームへの漏電経路の形成を防止するための絶縁手当てを施された開放型バッテリを採用してなる充電式のバッテリと、前記電気車輌の外部の電源に接続されて前記バッテリを充電するための、絶縁型トランスを用いない構成をもつ充電器とを備える。

この構成によれば、バッテリが車輌フレームから確実に絶縁されているため、外部電源とバッテリの間に絶縁型トランスを介さなくても、バッテリ充電時の漏洩電流の発生を防止できる。そして、絶縁型トランスを用いない構成を充電器に採用することで、充電器を小型軽量にすることができる。

本発明の別の態様に従う、電気車輌内の所定回路に電力を供給するための前記電気車輌に搭載される電源装置は、前記所定回路へ供給されるべき電気エネルギーを蓄えるための充電式のバッテリと、前記電気車輌の外部の電源から電力を受けて前記バッテリを充電するための、絶縁型トランスを用いない構成をもつ充電器と、前記充電器が前記バッテリを充電しているときに、前記バッテリと前記所定回路との間の電気的接続を遮断するための遮断手段とを備える。

この構成によれば、バッテリ充電時に電気車輌内の前記所定回路に低耐圧部品を用いた回路が含まれていても、この低耐圧回路が充電時にバッテリから電気的に切り離されるので、車両フレームと低耐圧回路間に外部電源による大きい電位差が発生することがなくなり、よって、低耐圧回路を保護することができる。

この構成において、さらに、前記充電器が前記バッテリを充電し且つ前記遮断手段が前記バッテリと前記所定回路との間の電気的接続を遮断しているときに、前記所定回路中の充電時に動作する必要がある特定回路へ前記充電器又は前記バッテリからの電力を供給するための、入力側と出力側が互いに絶縁された小容量絶縁型コンバータを設けてもよい。この小容量絶縁型コンバータを設けると、バッテリ充電中、上述した遮断手段よる保護効果を生かしつつ、充電時に動作する必要がある特定回路の動作を確保することができる。

以上説明したように、本発明の電気車輌用電源装置によれば、シール型バッテリなど電気車輌の金属フレームに対して絶縁されたバッテリを用いることによって、交流電電と充電器との間のトランスが不要となる。これによって、電気車輌用電源装置を小型軽量化することができると共にコスト低減を図ることができる。電気自動車用シール型バッテリは充電時に熱が発生しないので短時間で急速充電を行うことができる。

以下、図面を参照して本発明における電気車輌用電源装置の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態にかかる電気車輌用電源装置の全体的な概略構成を示す。

図１に示すように、バッテリフォークリフトなどの電気車輌１上には、充電式バッテリ２及び充電・電源制御回路３などからからなる電気車輌用電源装置１０と、モータドライバ／コントロールパネル／その他種々の車輌機能用回路（以下、モータドライバ等という）４及びモータ５などを含む負荷回路２０が搭載されている。

なお、モータドライバ等４に含まれる種々の回路の多くの定格電源電圧（例えば、４８Ｖ、１２Ｖ、５Ｖなど）に比べて電気車輌用電源装置１０の出力電圧は高く設定されている（加えて、後述するように、これは所定の電圧範囲で意図的に増減される）ため、電気車輌用電源装置１０の出力電圧からモータドライバ等４内のそれぞれの回路の電源電圧を生成するためのレギュレータが必要であるが、それらレギュレータは図１ではモータドライバ等４のブロックに含まれているものとして、図示省略してある。

図１の構成において、バッテリ２は、開放型のものではなく、シール型（密閉型）のバッテリであって、このシール型バッテリは、バッテリ内部が実質的に密閉されて外部から実質的に完全に絶縁されている（バッテリ呼吸用の微小開口はあるが、バッテリ内部と外部との間で電流が漏れる虞のあるような開口は全くない）。因みに、シール型バッテリには、鉛、ニッケル水素、リチウムイＯＮなどの幾つかのタイプがある。このようなシール型バッテリを採用したバッテリ２は、車輌の金属製のフレームから確実に絶縁されているので、バッテリ２と車輌フレーム間に漏洩電流が流れる虞は無い。

充電・電源制御回路３は、バッテリ２から負荷回路２０への電力供給（負荷回路２０からの電力回生も含む）を制御したり、バッテリ２への充電電流の制御を行なったりするものである。充電・電源制御回路３は、バッテリ２と負荷回路２０との間に接続されており、また、充電時に工場等の所定の外部電源、例えば３相２００Ｖ交流電源６、のソケット９に差し込むためのプラグ８を有している。電気車輌１の動作時には、充電・電源制御回路３は、バッテリ２からモータドライバ等４へ車輌動作に必要な電力を供給する。また、バッテリ２の充電時には、充電・電源制御回路３は、工場等に設けられた３相２００Ｖ交流電源６と接続して、バッテリ２へ充電電力を供給する。充電・電源制御回路３は、従来のような絶縁型トランスを用いたバッテリ充電回路は有しておらず、代わりに、トランスを用いないＤＣ／ＤＣコンバータを用いたバッテリ充電回路を有しており、その詳細な構成は後に説明する。

バッテリ充電のために交流電源６に充電・電源制御回路３を接続すると、電気車輌１の金属製のフレームが交流電源６側の接地ラインに接続されて接地電位となるようになっている。もし、充電中にバッテリ２と電気車輌１のフレームへと漏洩電流が流れたならば、例えば数十ｍＡ程度の僅かな漏洩電流が流れただけで、交流電源７側の漏電遮断器７が作動して交流電源６からの電流路を遮断してしまう。この問題を解決するために従来は絶縁型トランスを用いた充電器が使用されていた。これに対し、本実施形態にかかる電気車輌用電源装置１０では、バッテリ２として、外部から実質的に完全に絶縁されたシール型バッテリが用いられているため、バッテリ２と車輌フレームとの間に漏洩電流が流れる虞がなく、よって、上記のような漏電遮断器７が作動する問題が生じない。それ故に、充電・電源制御回路３の充電回路には、絶縁型トランスを用いる必要がなく、それに代えて、トランスレスのＤＣ／ＤＣコンバータが用いられている。その結果、充電・電源制御回路３は小型軽量になることができる。

さらに、トランスレスのＤＣ／ＤＣコンバータを採用することで、設定した時間の範囲内で満充電を完了させるような充電制御を行うことが可能になる。すなわち、トランスレスのＤＣ／ＤＣコンバータは微細な充電制御を行うことができるという特徴をもつ。例えば、シール型鉛バッテリは、複数段階の定電流制御によって充電を行うことができ、１段階目の充電電流値はバッテリの電極を損傷させない範囲内でかなり自由に設定することができる。この特徴を利用して、充電・電源制御回路３は、充電開始前にユーザに所望の充電時間を設定させ、その充電時間で満充電が完了するように各段階の充電電流を自動計算し設定した上で充電を開始して、各段階の充電電流を対応する設定値に制御することができる。例えば、１段階目の充電電流値を高く設定して短時間で満充電にすることもできるし、１段階目の充電電流値を比較的低く設定して長時間で満充電にすることもできる。このように、あらかじめ所望の充電時間を設定しておけば、充電・電源制御回路３が、所望の充電時間以内に満充電となるように１段階目又はそれ以降の段階の充電電流値を自動的に決めて制御することができる。

また、電流容量の大きい急速充電対応のシール型バッテリを採用した場合、急速充電対応の開放型バッテリを採用した場合に比べて、充電開始から車輌稼動開始までの実質的な充電時間がより短くなるという利点も得られる。すなわち、開放型バッテリは、急速充電を行うと大量の熱が発生するため、充電完了後にかなりの長時間（例えば、充電に要した時間と同程度の長さの時間）冷却を行わないと、車輌稼動を開始できないのに対して、シール型バッテリの場合は急速充電しても大した熱は発生しないので、充電完了後に冷却せずに実質的に直ちに車輌稼動を開始できる。そのため、急速充電を作業の都合に合わせて随時に（例えば、作業者の休憩時間などに）繰り返しながら、車輌を実質的に２４時間継続的に稼動させることができる。

図２は、本実施形態にかかる電気車輌用電源装置１０の回路構成を示す。尚、図２は、バッテリ充電のために電気車輌用電源装置１０が３相２００Ｖ交流電源６に接続された状態を示しているが、勿論、充電時以外の時には、電気車輌用電源装置１０は３相２００Ｖ交流電源６から切り離されている。

図２に示される電気車輌用電源装置１０において、バッテリ２を除した部分が図１に示した充電・電源制御回路３に相当する部分であり、これは、バッテリ２から電気車輌に電力を供給するための電源制御系統と、バッテリ２を充電するための充電系統とから構成されている。

電気車輌用電源装置１０の電源制御系統には、シール型バッテリ２と、このバッテリ２０と負荷回路２０との間に接続された電流制御型のＤＣ／ＤＣコンバータ１４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の負荷回路２０側端子に負荷回路２０と並列に（つまり、負荷回路２０から見るとＤＣ／ＤＣコンバータ１４と並列に）接続された大容量コンデンサ１５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の動作を制御するためのコントローラ１８が含まれている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、半導体スイッチング素子を用いたトランスレスの構成を有する双方向に電力変換可能な回路であって（その具体的構成例については後に説明する）、車輌動作時には、バッテリ２０の出力電圧を、所定の電圧範囲内の電圧に変換して負荷回路２０側へ出力し、そして、図２中の矢印ｂに示すようにバッテリ２から負荷回路２０への電力を供給するとき（例えば、モータ５の力行時）、及び図２中の矢印ａに示すように負荷回路２からバッテリ２へ電力が返還されるとき（例えば、モータ５の回生時）の双方のときの電力変換制御を、スイッチング素子の働きにより行う。

コントローラ１８は、負荷回路２０と同様、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４から電源を得て動作する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力電圧からコントローラ１８の定格電源電圧（例えば、１２Ｖ、５Ｖなど）を生成するためのレギュレータは、図２ではコントローラ２０のブロックに含まれているものとして、図示省略してある。このコントローラ１８は、負荷回路２０の状態やその他の図示しない運転指示情報やセンサ情報等に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４が電力制御を適切に行うよう、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の状態やスイッチング素子のデューティ（通電率：一周期内のＯＮ時間の割合）を制御して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力電圧を制御する。

大容量コンデンサ１５は、例えばファラッドオーダの容量をもつもので、負荷急変時（負荷回路２０へ供給すべき電力又は負荷回路２０から返還される電力の急変時）に、負荷回路２０へ所望電力を急速放出したり、負荷回路２０から返される電力を急速吸収したりするためのものである。なお、この大容量コンデンサ１５による電力の放出／吸収を効果的に行うために、コントローラ１８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御してその出力電圧を所定の電圧範囲で意図的に増減することができる。

電気車輌用電源装置１０の充電系統には、３相２００Ｖ交流電源６に接続するためのプラグ８と、充電時のみＯＮ状態にされる充電スイッチ１１と、３相２００Ｖを整流して直流電圧を生成する整流器１２と、整流器１２からの直流電圧を入力してこれをバッテリ充電に必要な所定の目的電圧に降圧又は昇圧して出力する降圧／昇圧器１３とが含まれる。さらに、この充電系統には、上述したＤＣ／ＤＣコンバータ１４及びコントローラ１８と、充電時に降圧／昇圧器１３及びＤＣ／ＤＣコンバータ１４などの３相２００Ｖ交流電源６に接続された回路から負荷回路２０やコントローラ１８を切り離すための保護スイッチ１６と、保護スイッチ１６をバイパスするように設けられた絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１９が含まれる。

降圧／昇圧器１３の出力端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の負荷回路２０側の端子に接続されている。そして、バッテリ充電時、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、図２中矢印ａに示すように降圧／昇圧器１３からバッテリ２へと電流を流すように動作して、バッテリ２の充電を行なう。その際、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、バッテリ２の充電電流が所定の設定電流値に一致するように定電流制御を行なう。

保護スイッチ１６は、車輌動作時にはＯＮ状態になっていてＤＣ／ＤＣコンバータ１４及び大容量コンデンサ１５を負荷回路２０及びコントローラ１８に接続しているが、バッテリ充電時にはＯＦＦ状態になって、降圧／昇圧器１３やＤＣ／ＤＣコンバータ１４などの３相２００Ｖ交流電源６に接続された回路と負荷回路２０及びコントローラ１８との間の電気的接続を遮断する（つまり、前者から後者を電気的に絶縁する）。

絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１９は、高周波自励発振回路と高周波絶縁型トランスを用いた小型軽量の小容量ＤＣ／ＤＣコンバータであって、充電時に保護スイッチ１６がＯＦＦ状態にあるとき、降圧／昇圧器１３の出力電圧を、負荷回路２０中の充電中も作動している必要がある所定回路（例えば、コントロールパネル等の所定のパイロットランプなど）やコントローラ１８の駆動に必要な電圧(例えば４８Ｖ）に変換して負荷回路２０及びコントローラ１８に供給し、それにより、充電時においてコントローラ１８が充電制御を行ったり負荷回路２０中の上記パイロットランプ等の所定回路が作動することができようにする。高周波絶縁型トランスにより、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１９の入力側（降圧／昇圧器１３側）と出力側（負荷回路２０及びコントローラ１８側）は互いに電気的に絶縁されている。

コントローラ１８は、充電時には、上述の充電スイッチ１１、保護スイッチ１６及びＤＣ／ＤＣコンバータ１４などを制御する。すなわち、充電を開始しようとする際には、コントローラ１８は、予め設定された充電時間でバッテリ２の満充電を完了するように、設定された充電時間に基づいて充電の複数段階の充電電流値を自動計算して設定する。そして、コントローラ１８は、保護スイッチ１６をターンＯＦＦし、続いて充電スイッチ１１をターンＯＮすることにより、充電を開始する。充電中は、コントローラ１８は、充電中の複数段階における充電電流がそれぞれの段階の設定電流値に一致するようにＤＣ／ＤＣコンバータ１４のスイッチング素子のデューティを制御する。充電が完了すると、コントローラ１８は、充電スイッチ１１をターンＯＦＦし、続いて保護スイッチ１６をターンＯＮすることにより、充電を終了する。

次に、図２を参照して、バッテリ２の充電時と車輌動作時の電気車輌用電源装置１０の動作を説明する。

バッテリ２を充電するときは、まず、ユーザによって電気車輌用電源装置１０のプラグ８が交流電源６のソケット９に接続される。そして、ユーザから充電開始の指令が入ると（例えば、電気車輌用電源装置１０に設けられた図示しない『充電』ボタンを押下される）と、コントローラ１８が、制御信号Ｓ３によって保護スイッチ１６をターンＯＦＦし、その後に、制御信号Ｓ１によって充電スイッチ１１をターンＯＮし、さらに、制御信号Ｓ２によって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の電流方向が図の矢印ａのようにバッテリ２を充電する方向になるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１４の駆動及び制御を開始する。こうして充電動作が開始される。なお、保護スイッチ１６がＯＦＦ状態であっても、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１９によって、コントローラ１８の電源や負荷回路２０のコントロールパネル等のパイロットランプやその他所定のアクセサリなど充電中に動作する必要がある回路の電源は確保される。

充電開始後、コントローラ１８はバッテリ２の充電状態や経過時間などを監視して、充電の段階を切り替えるタイミングを制御しつつ、制御信号Ｓ２によってＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御して、まずは、予め設定された充電時間内に充電が完了するように予め計算された１段階目の充電電流値によって充電を開始し、そして、満充電に近づくに従って段階を進め、段階が進むほど充電電流を減少させていく。

充電中、負荷回路２０及びコントローラ８は、保護スイッチ１６によって交流電源６から電気的に遮断されていると共に絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１９によって交流電源６から絶縁されている。したがって、負荷回路２０及びコントローラ１８と、充電中接地電位にある車輌フレームとの間の電位差が、交流電源６の２００Ｖになることはない。これにより、負荷回路２０に含まれる各種の電子回路やコントローラ１８のように一般に低耐圧の部品で作られている回路が保護される。

コントローラ１８は、バッテリ２の状態が満充電になったことを検出すると、或いは、あらかじめ設定された充電時間が経過すると、或いは、ユーザから受電停止が指示されると、制御信号Ｓ２によってＤＣ／ＤＣコンバータ１４を停止させるとともに、制御信号Ｓ１によって充電スイッチ１１をターンＯＦＦし、その後に、制御信号Ｓ３によって保護スイッチ１６をターンＯＮする。これで、充電動作が終了する。

尚、図２に示すように、この実施形態では、大容量コンデンサ１５が保護スイッチ１６よりもＤＣ／ＤＣコンバータ１４の側に配置されているが、これに代えて、大容量コンデンサ１５を保護スイッチ１６よりも負荷回路２０側に配置してもよい。しかし、図示のように大容量コンデンサ１５が保護スイッチ１６よりＤＣ／ＤＣコンバータ１４側に配置された場合には、充電時にバッテリ２だけでなく大容量コンデンサ１５も充電されることになるので都合が良い。

充電が終わった後電気車輌１が動作するときには、保護スイッチ１６がＯＮで充電スイッチ１１がＯＦＦになっている状態で、コントローラ１８は、制御信号Ｓ２によってＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の電流方向が力行時に図の矢印ｂの方向になるように、また回生時には図の矢印ａの方向になるようにするとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を流れる電流を所望値に制御する。負荷の急変は、大容量コンデンサ１５によって即応されるので、負荷回路２０は常に安定した動作を行うことができる。

図３は、図２に示したＤＣ／ＤＣコンバータ１４の回路構成の一例を示す。

図３に例示したＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、直並列チョッパ回路として構成され、２セットのバッテリ２Ａ、２Ｂ（図１、図２では、簡略的に１セットのバッテリ２のごとくに示されている）と接続され、系統電圧ライン８２、８３（このライン８２、８３に大容量コンデンサ１５が接続され、また図２に示したように保護スイッチ１６を介して負荷回路２０などが接続される）へ出力する電圧レベルを無段階に制御することができる。コントローラ１８は、制御信号Ｓ２Ａ、Ｓ２Ｂ、Ｓ２Ｃ（図３では、簡略的に制御信号Ｓ１で示されている）によりＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力電圧を制御する。図３中の充電回路１１、１２、１３は、図２に示した充電スイッチ１１、整流器１２及び降圧／昇圧器１３を1ブロックに纏めたものである。

２セットのバッテリ２Ａ、２Ｂの電圧は互いに等しい。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、これら２セットのバッテリ２Ａ、２Ｂ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、例えば第１のトランジスタ８１３を有し、これはコントローラ１８からの制御信号Ｓ１Ａにより高速周期でＯＮ／ＯＦＦ駆動される。すなわち、第１のトランジスタ８１３のエミッタ−コレクタパスが、第１セットのバッテリ２Ａのマイナス端子と第２セットのバッテリ２Ｂのプラス端子との間に結合され、また、そのベースが、コントローラ８５の駆動出力端子に接続される。

また、第１セットのバッテリ２Ａのプラス端子は第１のインダクタ８１４を介して、このＤＣ／ＤＣコンバータ１４のプラス出力端子８２（すなわち、プラスの系統電圧ライン８２）に接続され、第２セットのバッテリ２Ｂのマイナス端子は第２のインダクタ８１５を介して、このＤＣ／ＤＣコンバータ１４のマイナス出力端子８３（即ち、マイナスの系統電圧ライン８３）に接続される。また、このＤＣ／ＤＣコンバータ１４のマイナス出力端子８３と第１セットのバッテリ２Ａ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８１６が接続され、このＤＣ／ＤＣコンバータ１４のプラス出力端子８２と第２セットのバッテリ２Ｂ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８１７が接続される。

また、第２のトランジスタ８２６のエミッタ−コレクタパスが第１のダイオード８１６の両端子間に接続されていて、第２のトランジスタ８２６がＯＮになると、第１のダイオード８１６の両端子間が短絡される。また、第３のトランジスタ８２７のエミッタ−コレクタパスが第２のダイオード８１７の両端子間に接続されていて、第３のトランジスタ８２７がＯＮになると、第２のダイオード８１７の両端子間が短絡される。第２と第３のトランジスタ８２６、８２７のベースは、コントローラ１８の２つの充電制御出力端子に夫々接続されていて、コントローラ１８からの２つの制御信号Ｓ２Ｂ、Ｓ２Ｃによりそれそれ第２と第３のトランジスタ８２６、８２７がＯＮ／ＯＦＦ動作するようになっている。さらに、このＤＣ／ＤＣコンバータ１４のプラスとマイナスの出力端子間に、このＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力電圧のノイズを除去するためのコンデンサ８１８が接続される。なお、ノイズ除去用コンデンサ８１８は、その容量は高々例えば数十マイクロファラッドであり、ファラッドオーダの容量を有する大容量コンデンサ１５とは構成的にも機能的にも全く異質のものである。

上記のように構成されたＤＣ／ＤＣコンバータ１４において、バッテリ２Ａ、２Ｂの充電時には、第２のトランジスタ８２６及び第３のトランジスタ８２７がコントローラ１８により駆動されて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力端子８２、８３に接続された充電器１１、１２、１３からバッテリ２Ａ、２Ｂへ充電することができる。このとき、第２のトランジスタ８２６は第１セットのバッテリ２Ａの充電を司り、そのデューティの調節により第１セットのバッテリ２Ａの充電電流を制御することができる。また、第３のトランジスタ８２７は第２セットのバッテリ２Ｂの充電を司り、そのデューティの調節により第２セットのバッテリ２Ｂの充電電流を制御することができる。

充電が終わった後、車輌の動作時には、第１のトランジスタ８１３はコントローラ１８により駆動されて、所定の高速周期でＯＮ／ＯＦＦ動作を繰り返す。第１のトランジスタ８１３のデューティは可変であり、コントローラ１８によって制御される。第１のトランジスタ８１３がＯＮのときには、第２セットのバッテリ２Ｂ、トランジスタ８１３、第１セットのバッテリ２Ａ、第１のインダクタ８１４、プラス系統電圧ライン８２、大容量コンデンサ１５（又は負荷回路２０）、マイナス系統ライン８３、第２のインダクタ８１５を順に通って電流が流れる。このとき、２セットのバッテリ２Ａ、２Ｂは直列に接続される。

一方、第１のトランジスタ８１３がＯＦＦのときには、第１セットのバッテリ２Ａ、第１のインダクタ８１４、プラス系統電圧ライン８２、図示省略した大容量コンデンサ１（又は負荷回路２０）、マイナス系統ライン８３、第１のダイオード８１６という経路を順に通って電流が流れるとともに、第２セットのバッテリ２Ｂ、第２のダイオード８１７、プラス系統電圧ライン８２、大容量コンデンサ１５（又は負荷回路２０）、マイナス系統ライン８３、第２のインダクタ８１５を順に通っても電流が流れる。このとき、２セットのバッテリ２Ａ、２Ｂは並列になる。

このように、一周期の動作内で、２セットのバッテリ２Ａ、２Ｂの直列接続と並列接続が切り替えられる。ここで、バッテリ２Ａ、２Ｂの各々の電圧をＥ、トランジスタ８１３のデューティをαとすると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４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までの広い範囲で連続的に可変である。

コントローラ１８は、系統電圧Vs、負荷回路２０（図示省略）へ供給される負荷電流、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力電流、各バッテリ２Ａ、２Ｂの出力電流、及び負荷回路２０（図示省略）から入力される負荷回路２０の運転状態を表す運転信号（例えば、モータ５が運転か停止か、モータ５が力行運転か回生運転か、負荷回路２０が必要とする電力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、第１のトランジスタ８１３のデューティを調節して系統電圧Vsを制御する。系統電圧Vsを上記Ｅから２Ｅまでの範囲で意図的に増減することで、大容量コンデンサ１５を効率的に使用して、負荷回路２０（図２）を安定して駆動することができる。例えば、大容量コンデンサ１５に蓄積可能な最大エネルギーの７５％程度を、大容量コンデンサ１５から放出させたり吸収させたりして有効に利用することができる。

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３に示したＤＣ／ＤＣコンバータ１４によれば、大容量コンデンサ１５の使用効率が非常に高いという利点が得られる。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５（図１）の力行時のように負荷回路２０（図２）に大電力を供給する必要があるときには、第１のトランジスタ８１３のデューティを低めて系統電圧Vsを下げる。系統電圧Vsの低下により、大容量コンデンサ１５内で余剰となったエネルギーが大容量コンデンサ１５から放出され負荷回路２０に供給される。また、モータ５（図１）の回生時のように負荷回路２０（図２）から大電力を戻す必要があるときには、第１のトランジスタ８１３のデューティを高めて系統電圧Vsを上げる。系統電圧Vsの上昇により大容量コンデンサ１５内で不足となったエネルギーが負荷回路２０から大容量コンデンサ１５へ戻される。

このように、負荷回路２０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、大電力を大容量コンデンサ１５から放出したり吸収したりすることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力電力は、大きく変動せずに済み、理想的には負荷回路２０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、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４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、）バッテリ２Ａ、２Ｂの各々の出力電流も大きく変動せずに済む。

さらに、図３に示したＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、直並列チョッパ回路として構成されているため、バッテリ２Ａ、２Ｂの各々の出力電流を小さく抑えることができる。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４として直並列チョッパ回路を用いた場合、負荷が電力Ｐを要求するとき、各々出力電圧Ｅをもつバッテリ２Ａ、２Ｂ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、バッテリ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、バッテリ２Ａ、２Ｂ及びＤＣ／ＤＣコンバータ１４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。このように最大電流が小さいことにより、ＤＣ／ＤＣコンバータは小型にすることができき、また、バッテリ２Ａ、２Ｂの効率及び寿命も向上する。

ところで、図３に示した構成のＤＣ／ＤＣコンバータ１４を複数個並列に大容量コンデンサ１５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ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を直列に大容量コンデンサ１５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。また、複数個のＤＣ／ＤＣコンバータ１４の並列接続と直列接続とを組み合わせることもできる。

図４は、本発明の第２の実施の形態にかかる電気車輌用電源装置１０´の回路構成図である。この電気車輌用電源装置１０´も、図１に示した電気車輌用電源装置１０と同様に電気車輌１上に搭載される。

図４に示す電気車輌用電源装置１０´において、図２に示した電気車輌用電源装置１０と異なる点は、図２に示した降圧／昇圧器１３に代えて、昇圧コンバータ２１及びこれをバイパスするように設けられた充電電圧切替スイッチ２２が用いられている点である。バッテリ２の急速充電時あるいは充電初期段階のバッテリ電圧が低いときには、コントローラ１８は、昇圧コンバータ２１を停止させた状態で制御信号Ｓ４により充電切替スイッチ２２をＯＮして、整流器１２の出力直流電圧（例えば、２８０Ｖ）を直接的にＤＣ／ＤＣコンバータ１４に印加して通常の充電を行う（なお、整流器１２の出力電圧でバッテリ２が充電できるように、バッテリ２の電圧の選択及び整流器１２の設計がなされている）。そして、充電の最終段階において、バッテリ２が満充電に近づきバッテリ２の電圧が上昇すると、コントローラ１８は制御信号Ｓ４により充電電圧切替スイッチ２２をＯＦＦにするとともに制御信号Ｓ５により昇圧コンバータ２１を駆動して整流器１２の出力電圧を所定電圧（例えば３２０Ｖ）まで昇圧してＤＣ／ＤＣコンバータ１４に印加して所謂押込み充電を行う。その他の回路、例えば充電スイッチ１１や保護スイッチ１６やＤＣ／ＤＣコンバータ１４の動作は、図２に示した構成におけるそれと同様である。

以上、本発明の各実施形態を説明したが、これらは本発明の説明のための例示であり、これら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。上述した各実施形態において、バッテリ２を充電するための交流電源６として３相２００Ｖを用いたが、これに限定されるものではない。例えば、単相２００Ｖ、３相１００、単相１００Ｖなどの商用交流電源を使用することもできる。また、商用交流電源に限らず、自家発電機によって発電された交流電源を用いてもよい。尚、３相１００や単相１００Ｖのように入力電圧が低い場合には整流器１２の出力電流が増加するので、その電流容量に見合った整流素子を選定する必要がある。また、上述した各実施形態に示すような整流器とＤＣ／ＤＣコンバータの構成は、単体のＡＣ／ＤＣコンバータに置き換えてもよい。

さらに、上記の各実施形態では、シール型のバッテリを用いることによって、バッテリを車輌から実質的に完全に絶縁し、それにより、バッテリ充電回路における絶縁型トランスを不要としたが、シール型のバッテリを採用する代わりに、開放型バッテリを採用して、これに車輌フレームから実質的に完全に絶縁するような絶縁手当てを施した場合にも、同様の効果を得ることができる。例えば、開放型バッテリの周囲を絶縁物で覆う又は包囲する（具体例としては、バッテリの６方面全周囲を囲むような絶縁体の箱内にバッテリを収容する）、或いは、車輌フレームのバッテリを搭載する場所に絶縁物のシート又はパンを敷きその上にバッテリを搭載するなどして、バッテリの電解液注入口から電解液が多少こぼれ出たりバッテリの外表面に導電性の汚れが付いたとしても、それらは全てバッテリを囲んだ絶縁物の内側又はバッテリが置かれた絶縁物の上に留まり絶縁物の外側へは出ないように手当てするような方法が採用し得る。

本発明の一実施形態にかかる電気車輌用電源装置の全体的な概略構成を示すブロック図。 本発明の一実施形態にかかる電気車輌用電源装置の回路構成図。 図２に示すＤＣ／ＤＣコンバータの具体的回路構成例を示す回路図。 本発明の第２の実施形態における電気車輌用電源装置の回路構成図。

符号の説明

１ 電気車輌
２ バッテリ
３ 充電・電源制御回路
４ モータドライバ等
５ モータ
６ ３相２００Ｖ交流電源
７ 漏電遮断器
８ プラグ
１０，１０´ 電気車輌用電源装置
１１ 充電スイッチ
１２ 整流器
１３ 降圧／昇圧器
１４ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１５ 大容量コンデンサ
１６ 保護スイッチ
１７ モータドライバ
１８ コントローラ
１９ 絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ
２０ 負荷回路
２１ 昇圧コンバータ
２２ 充電電圧切替スイッチ

Claims (3)

1. 電気車輌（１）内の所定回路（１８、２０）に電力を供給するための前記電気車輌に搭載される電源装置（１０、１０´）において、
   前記所定回路（１８、２０）へ供給されるべき電気エネルギーを蓄えるための、シール型バッテリを採用するか、又は前記電気車輌の金属製フレームへの漏電経路の形成を防止するための絶縁手当てを施された開放型バッテリを採用してなる充電式のバッテリ（２）と、
   前記電気車輌（１）の外部の電源（６）に接続されて前記バッテリ（２）を充電するための、絶縁型トランスを用いない構成をもつ充電器（１１〜１４）と
   を備えた電気車輌用電源装置。
2. 電気車輌（１）内の所定回路（１８、２０）に電力を供給するための前記電気車輌（１）に搭載される電源装置（１０、１０´）において、
   前記所定回路（１８、２０）へ供給されるべき電気エネルギーを蓄えるための充電式のバッテリ（２）と、
   前記電気車輌の外部の電源（６）から電力を受けて前記バッテリ（２）を充電するための、絶縁型トランスを用いない構成をもつ充電器（１１〜１４）と、
   前記充電器（１１〜１４）が前記バッテリ（２）を充電しているときに、前記バッテリ（２）と前記所定回路（１８、２０）との間の電気的接続を遮断するための遮断手段（１６）と
   を備えた電気車輌用電源装置。
3. 前記充電器（１１〜１４）が前記バッテリ（２）を充電し且つ前記遮断手段（１６）が前記バッテリ（２）と前記所定回路（１８、２０）との間の電気的接続を遮断しているときに、前記所定回路（１８、２０）中の充電時に動作する必要がある特定回路（１８）へ前記充電器（１１〜１４）又は前記バッテリ（２）からの電力を供給するための、入力側と出力側が互いに絶縁された小容量絶縁型コンバータ（１９）を更に備えた請求項２に記載の電気車輌用電源装置。

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