JP2005341667A - 電気自動車の電源装置及び制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気自動車の電源装置として、大電流での充放電が可能で、かつ、蓄電池の耐久性も確保できるようにする。
【解決手段】蓄電池１をレギュレータ２を介してキャパシタ３に接続すると共に、キャパシタ３をインバータ４を介して電動機５に接続し、インバータ４を介してキャパシタ３と電動機５との間で電力の授受を行うことにより、走行負荷に見合った電力を供給ないし回生して電動機５を応答よく運転させることができ、また、減速時に発電機として駆動される電動機５から大電流で効率よく電力を回生でき、一方、蓄電池１とキャパシタ３との間でレギュレータ２を介して所定以下の電流で充放電を行ってキャパシタ３の蓄電量を一定に維持することにより、蓄電池１の耐久性も向上することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電気自動車に使用される複合型の電源装置及び該電源装置を用いた制御装置に関し、特に、小電流・長時間型の持続性充放電機能を有する蓄電池と大電流・短時間型の瞬発性充放電機能を有するキャパシタを組み合わせて使用する技術に関する。

本願出願人により出願した特許文献１には、蓄電池とキャパシタを組み合わせて使用する構成の複合電池が開示されている。
同じく、特許文献２には、蓄電池を直接出力とするキャパシタとの複合電池が開示されている。
特開平６−１９７４０８号公報 特開平１１−２５２７１１号公報

上記特許文献１、２で明らかにしたように、本願出願人は、蓄電池とキャパシタとを組み合わせて複合電池とすることによるメリットに着目し、最適な複合技術について検討してきた。
すなわち、特許文献１のものは、適宜に蓄電池とキャパシタを使い分けるのに対し、特許文献２のものは、持続性蓄電池を主力として使用し、キャパシタを補助的に使用したものであった。

これは、モータ及びインバータに従来はまだ技術的な不安定要因が多く、できる限り一定の電圧によって運転する必要性があったためである。しかし、現在では、モータ及びインバータの作動が安定化してきており、かなり広域な電圧によって運転することが可能となってきた。
一方、実車走行試験では実験室内での試験に比較してバッテリの劣化が進みやすく、これは、実験室試験では性能把握を優先して電源電圧を一定に保たれるのに対し、実車走行試験では走行負荷変動によって電源電圧がかなりの変動を伴うことに起因するものと考えられる。すなわち、通常舗装の平坦路において実車での定常走行では１０〜３０Ａ程度の放電が主体をしめるのみ対し、加速時には５０〜１００Ａ程度の放電が頻繁に発生し、減速時には加速時とは逆向きの大きな回生電流が発生し、これら頻繁に発生する大きな電流による充放電が蓄電池の劣化を促進していると考えられる。

本発明は、このようなインバータ，モータの性能向上と蓄電池の劣化に着目してなされたもので、蓄電池の劣化を抑制できるように構成した電気自動車の電源装置及びその制御装置を提供することを目的とする。

このため、第１の発明は、持続性充放電特性を有する蓄電池及び瞬発性充放電特性を有するキャパシタに蓄えられた電力を、インバータにより変成して電動機に供給し、走行する電気自動車において、インバータに対する給電は専らキャパシタによって行い、蓄電池はレギュレータにより制御された電流をキャパシタに給電することを特徴とする。
第１の発明によると、キャパシタからインバータを経由して電動機に大電流が供給されるので、電動機は、高速道路に乗り入れ時などに必要な瞬発力を発生できる。他方、蓄電池からの放電はレギュレータを経由して、あらかじめ設定された一定値に留まるので、蓄電池の耐久性を確保できる。

また、第２の発明は、前記電動機を発電機として使用する回生モードでは、電動機により発電された交流電力はインバータ内の整流ブリッジにより直流出力に変成されてキャパシタを充電し、次いで双方向性通電機能を持たせたレギュレータがキャパシタの電力を制御して蓄電池を充電することを特徴とする。
第２の発明によると、回生制動時に発生した大電流は、インバータの整流ブリッジ回路を経由してキャパシタに効率良く充電される。他方、蓄電池にはレギュレータを介してあらかじめ定められた一定電流が充電され、蓄電池の耐久性を確保できる。

また、第３の発明は、上記第１または第２の発明にかかる電源装置を備え、かつ、駆動源として電動機の他に内燃機関を備えた複合型原動機であって、必要に応じて内燃機関を始動して走行駆動力を補完または走行に必要な駆動力を超えて駆動力を発生し、駆動力の過剰部分によって発電できる構造の原動機において、蓄電池の起電力に応じて内燃機関を制御することを特徴とする。

第３の発明によると、電動機に対して間接的に接続された蓄電池の電圧に応じて内燃機関を制御するので、変動の大きいキャパシタの端子電圧に応じて内燃機関を制御する場合よりも安定した内燃機関の制御が可能となる。
また、第４の発明は、キャパシタの端子電圧を内燃機関制御の予告信号として使用することを特徴とする。

キャパシタの端子電圧が低下しても直ぐに内燃機関を運転する必要はないが、キャパシタの端子電圧が低い状態が続けば、いずれは蓄電池の電圧も低下することが予測できる。逆に、キャパシタ端子電圧の高い状態が続けば、いずれは蓄電池の電圧も上がり、内燃機関停止の必要が生じる。従来、予告的な前触れ現象をつかみにくく内燃機関の制御が遅れ勝ちであったが、キャパシタ端子電圧を予告信号として使用することで、上記の事態に対してあらかじめ内燃機関制御の準備を整えることができ、遅れなく制御することができる。

また、第５の発明は、蓄電池の起電圧がキャパシタの端子電圧を上回るときには、蓄電池からキャパシタに向けて放電し、下回るときには、キャパシタから蓄電池に向けて放電する電源装置の制御装置であって、蓄電池の起電圧とキャパシタの端子電圧との電圧差が小さい領域では、電圧差に比例した電流に、電圧差が大きい領域では、略一定の電流に制御することを特徴とする
第５の発明によると、レギュレータは蓄電池とキャパシタの電圧を検出し、電圧の高い側から低い側に電流を流す。この際、電圧差が小さい時には、電圧差に比例した電流を流すので、蓄電池に対して過大な充放電を防ぐことができる。これにより、蓄電池の耐久性を確保できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の図において、同一の機能を有するものには同一の符号を付して説明する。
図１は、第１の発明の実施形態として、電気自動車の駆動システムに適用した電源装置の構成を示す。蓄電池１は、充放電電流量が小さく長時間にわたって充放電される持続性充放電特性を有し、例えば、現時点では可逆反応によって作動する鉛蓄電池等の化学蓄電池、将来的には燃料電池などを含む。前記蓄電池１の出力端子を、レギュレータ２の入力端子に接続し、該レギュレータ２の出力端子から一定電流で放電を行わせる。

前記レギュレータ２の出力端子を、一時に大きな電流量で充放電が可能な瞬発性充放電特性を有するキャパシタ３の入力端子と接続する。
前記キャパシタ３の出力端子を、インバータ４の入力端子に接続し、該インバータ４によって直流を交流に変換する。
そして、前記インバータ４の出力端子を、走行用原動機としての電動機５の入力端子に接続し、該電動機５を駆動して車両を走行する。

また、第２の発明の実施形態として、図２に示すように、車両の減速時には、前記レギュレータ２の制御機能に双方向性を持たせ（後述の図３参照）、電動機５を発電機として機能させて回生制御を行う。すなわち、電動機５によって発電された電力をインバータ４の整流ブリッジ回路によってキャパシタ３に蓄電し、レギュレータ２によりキャパシタ３の電力を制御しつつ蓄電池１を充電する。

上記のように、キャパシタ３をインバータ４と接続し、インバータ４に対する直接的な電力の入出力装置として使用する形態では、キャパシタ３の蓄電容量が少ないのでその端子電圧がかなり大きく変動する。すなわち、キャパシタを構成するコンデンサ類の蓄電電気量（Ｑ）と、電圧（Ｖ）、容量（Ｃ）の関係は、
Ｑ＝Ｃ×Ｖ²／２
であり、放電現象は電圧低下と同義であるといえる。

従来は、上記のように充放電によってキャパシタの端子が大きく変動してしまう現象に対し、インバータや電動機も十分な運転性能が得られていなかったため、自動車を安定して走行させることができず、一定の電圧を確保したいという必要性からキャパシタを電動機の主たる電力供給源とするという発想が生まれなかった。しかし、蓄電池のみの電源では、急加速時に大電流を供給して電動機を高出力で運転して加速性能を高める要求に応えられず、また、回生時に電動機を発電機として運転してキャパシタに電力を回生する際に大電流で効率よく回生する要求にも応えられなかった。また、上記特許文献１，２に示されるようにキャパシタを使用する場合でも、常時は蓄電池を使用し、加減速時などに限定してキャパシタを使用するという補助的な使用に制約され、運転状態に基づいて蓄電池とキャパシタとを切り換えて使用するための制御、回路が複雑となっていた。

また、蓄電池を主として使用する場合、走行負荷変動に伴って充放電量が変化することによって蓄電池の耐久性が低下する。上記のように、加減速時はキャパシタを使用するとしても、蓄電池を完全な定常走行に限って使用するというわけにはいかず、ある程度の要求負荷変動は常時受けているので充放電量が変動し、また、キャパシタの蓄電量の変動を抑制するように蓄電池とキャパシタとの間で充放電を行っており、その際の充放電量の変動も大きかったので、やはり蓄電池の耐久性が低下することとなる。

一方、近年では電動機については、強力なマグネットの確保やハイテク電磁鋼板の確保が可能になったことから、小型で高出力の電動機が得られ、また、インバータはサージ電圧の防護回路（スナバ回路）などの開発が進んだことから、耐圧限界を高めることができ、これらの相乗効果により、電源電圧の広域化が進み、低い電圧から高い電圧まで広域の電圧で電動機を運転することができるようになった。

そこで、上記実施形態では、インバータ４を介してキャパシタ３と電動機５との間で電力の授受を行う構成としたことにより、走行負荷に見合った電力を供給ないし回生して電動機５（回生時は発電機として）を応答よく運転させることができ、高速道路に乗り入れ時などに必要な瞬発力を発生でき高い走行性能を得られ、また、減速時に大電流で効率よく電力を回生できる。一方、蓄電池１は専らキャパシタ３の蓄電量を一定に維持するように充放電する機能を持たせるが、その際、蓄電池１とキャパシタ３との間でレギュレータ２を介して所定以下の電流で充放電を行うことにより、蓄電池１の耐久性も向上することができる。

また、運転状態によって蓄電池とキャパシタとを切り換えて使用するといった複雑な制御、回路を必要とせず、シンプルで信頼性の高い回路構成を低コストで実現できる。
次に、前記第５の発明の実施形態として、上記レギュレータ２による蓄電池１とキャパシタ３との間の充放電（電流の授受）の制御について説明する。
図３は、蓄電池１とキャパシタ３の間に接続されるレギュレータ２の回路構成を示す。

蓄電池１の入出力端子からの放電を許容する方向のダイオードＤ１と、該入出力端子への充電を許容する方向のダイオードＤ２とが並列接続され、ダイオードＤ１，Ｄ２の蓄電池１とは反対側には、それぞれトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２が接続される。ダイオードＤ１とダイオードＤ２の間と、キャパシタ３とがチョークコイルＣＬを介して接続される。トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２は、ＣＰＵなどで構成される制御回路６からの制御信号を入力して駆動される。

そして、蓄電池１の電圧がキャパシタ３の電圧より高いときは、トランジスタＴｒ１がＯＮ、トランジスタＴｒ２がＯＦＦとされて、蓄電池１から放電された電流が、ダイオードＤ１、トランジスタＴｒ１、チョークコイルＣＬを介してキャパシタ３に充電される。また、キャパシタ３の電圧が蓄電池１の電圧より高いときは、トランジスタＴｒ２がＯＮ、トランジスタＴｒ１がＯＦＦとされて、キャパシタ３から放電された電流が、チョークコイルＣＬ、トランジスタＴｒ２、ダイオードＤ２を介して蓄電池１に充電される。なお、チョークコイルＣＬにより平滑化された安定した電流で充放電が行われる。

電流量の制御は、制御回路（ＣＰＵ）からの信号により、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のデューティ制御により行われる。
図４は、上記制御のフローを示す。
ステップ１では、蓄電池１とキャパシタ３との電圧差ΔＶ（＝蓄電池１の電圧Ｖ１−キャパシタ３の電圧Ｖ２）を算出する。

ステップ２では、前記電圧差の絶対値｜ΔＶ｜を、所定値ΔＶ０（＞０）と比較する。
ステップ２で｜ΔＶ｜≦ΔＶ０と判定されたときは、ステップ３でΔＶの正負を判定し、ΔＶ＞０のとき、つまり、蓄電池１の電圧がキャパシタ３の電圧より高いときは、ステップ４へ進み、ΔＶに比例した通電デューティでトランジスタＴｒ１を駆動する。これにより、電動機５の走行駆動時に、電圧差ΔＶに比例した電流量で蓄電池１からキャパシタ３への充電が行われる。

一方、ステップ３の判定でΔＶ＜０のとき、つまり、キャパシタ３の電圧が蓄電池１の電圧より高いときは、ステップ５へ進み、｜ΔＶ｜に比例した通電デューティでトランジスタＴｒ２をデューティ駆動する。これにより、電動機５を発電機として駆動する回生時に、電圧差ΔＶに比例した電流量でキャパシタ３から蓄電池１への充電が行われる。
また、ステップ２で｜ΔＶ｜＞ΔＶ０と判定されたときは、ステップ６へ進んでΔＶの正負を判定し、ΔＶ＞０のとき、ステップ７へ進んで、トランジスタＴｒ１を一定の通電デューティ（ステップ４でのΔＶ＝ΔＶ０時における最大の通電デューティ。例えば１００％）で駆動する。これにより、一定の電流量で蓄電池１からキャパシタ３への充電が行われる。

同様に、ステップ６でΔＶ＜０と判定されたときは、ステップ８へ進んで、トランジスタＴｒ２を一定の通電デューティ（ステップ５での｜ΔＶ｜＝ΔＶ０時における最大の通電デューティ。例えば１００％）で駆動する。これにより、一定の電流量でキャパシタ３から蓄電池１への充電が行われる。
図５は、上記電圧差ΔＶと充放電量の関係を示す。

かかる充放電制御によると、蓄電池とキャパシタは、それぞれ別々の電圧によるオペレーションを行うので、蓄電池は小さい幅の電圧領域で、キャパシタは大きな電圧変動範囲において使用でき、それぞれの長所を遺憾なく発揮できる。すなわち、キャパシタの特徴としては、大電流の充放電が可能である反面、蓄電量が小さく、電圧変動が大きく、他方、蓄電池は、蓄電量は比較的大きいものの、大電流での充放電が困難である。そのため、ただ単にキャパシタと蓄電池を並列接続しただけでは、効果がなく、キャパシタの端子電圧が大きく変動するとの認識に立って上記構成の充放電制御が編み出されたのである。

レギュレータは、既述のように、トランジスタとチョークコイルを主たる構成要素として、高い側の電圧を低い側の電圧に変換する。仮に、電動機に必要な全電流を調圧（電圧を制御する）ために同様な装置を製作するとすれば、巨大なトランジスタとチョークコイルを必要とすることになるが、蓄電池とキャパシタの電圧差はあまり大きくならず、電流も蓄電池に対する充放電程度に限られるので、小型で効率的な装置が製作可能である。

次に、上記第１〜第３のいずれかの実施形態で示した電源装置を備え、かつ、駆動源として電動機の他に内燃機関を備えた複合型原動機の制御装置の実施形態（第３の発明に対応する実施形態）について説明する。なお、本実施形態では、充放電双方向性を有した第２，第３の実施形態に係る電源装置を備えたものを示す。
図６は、本制御装置のシステム構成を示す。内燃機関１１の駆動軸は、電動機５の駆動軸に電磁クラッチまたは内燃機関１１側から電動機５側への駆動力のみ伝達する１方向クラッチで構成されるクラッチ１２を介して接断自由に連結され、これにより、複合原動機が構成されている。

また、蓄電池１の電圧を検出する電圧センサ１３を設け、該電圧センサ１３の出力を制御回路６に入力し、蓄電池１の電圧Ｖ１に基づいて、内燃機関１１の運転を制御（始動、出力調節、停止）する。
具体的には、第２、第３の実施形態で示した方法によって電動機５を駆動すると共に、蓄電池１の電圧に基づき、必要に応じて内燃機関１１を始動（電磁クラッチの場合は、クラッチ１２を接続して始動）して走行駆動力を補完または走行に必要な駆動力を超えて駆動力を発生し、過剰駆動力部分によって電動機５を発電機として駆動して発電を行わせる。

ここで、蓄電池の電圧が低下したときに内燃機関を始動するという構造は従来から一般的な方法であるが、本実施形態では、対象となる蓄電池１が直接インバータ４に接続されず、電動機５の駆動からは間接的に配置された蓄電池の電圧に応じて制御する点が特徴である。
すなわち、従来電動機を運転する電源電圧を検出して内燃機関の制御を行っていたが、本実施形態では、インバータ４及びそれに接続された電動機５は、比較的安定した蓄電池１の電圧ではなく、大きく変動するキャパシタ３の電圧によって運転され、内燃機関１１の運転制御は、直接電動機５の運転に関与するキャパシタ３の電圧ではなく、比較的安定した蓄電池１の電圧によって制御されている点が異なる。

さらに、上記実施形態の構成に加えて、キャパシタの端子電圧を内燃機関制御の予告信号として用いる第４の発明に対応する実施形態について説明する。
図７は、本制御装置のシステム構成を示す。第４の実施形態の構成に加えて、キャパシタ３の端子電圧を検出する電圧センサ１４を設け、該電圧センサ１４で検出されるキャパシタ３の端子電圧の信号を、内燃機関１１の制御の予告信号として制御回路６に入力する。制御回路は、前記蓄電池１の電圧Ｖ１に基づき内燃機関１１の制御（切換）を行うに先立ち、キャパシタ３の端子電圧Ｖ２の予告信号に基づいて、内燃機関１１に、制御（切換）の準備を行わせる。

かかる構成によると、蓄電池１の起電力などに変化が生じる前にキャパシタ３の端子電圧Ｖ２に変化が生じる。これを予告信号としてサンプリングし、例えば、実験的に決定してあるしきい値を判別材料として、キャパシタ３の端子電圧Ｖ２が低下した時には、内燃機関１１の始動準備を開始したり、端子電圧Ｖ２が高まった時には、内燃機関１１の停止準備を行ったりする。電圧変化の程度によっては、出力の本格調節を実施する前に微調整を実施することも可能である。

第１の発明に対応する第１実施形態のシステム構成図 第２の発明に対応する第２実施形態のシステム構成図 第２実施形態のレギュレータの構成を示す図 第５の発明に対応する実施形態の充放電制御のフローチャート 同上実施形態の充放電制御の特性を示す図 第３の発明に対応する実施形態のシステム構成図 第４の発明に対応する実施形態のシステム構成図

符号の説明

１ 蓄電池
２ レギュレータ
３ キャパシタ
４ インバータ
５ 電動機
６ 制御回路
１１ 内燃機関
１２ クラッチ
１３，１４ 電圧センサ

Claims (5)

1. 走行用原動機として電動機を備え、持続性充放電特性を有する蓄電池及び瞬発性充放電特性を有するキャパシタに蓄えられた電力を、インバータにより変成して前記電動機に供給し、走行する電気自動車において、インバータに対する給電は専らキャパシタによって行い、蓄電池はレギュレータにより制御された電流をキャパシタに給電することを特徴とする電気自動車の電源装置。
2. 前記電動機を発電機として使用する回生モードでは、電動機により発電された交流電力はインバータ内の整流ブリッジにより直流出力に変成されてキャパシタを充電し、次いで双方向性通電機能を持たせたレギュレータがキャパシタの電力を制御して蓄電池を充電することを特徴とする請求項１に記載の電気自動車の電源装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電源装置を備え、かつ、駆動源として電動機の他に内燃機関を備えた複合型原動機であって、必要に応じて内燃機関を始動して走行駆動力を補完または走行に必要な駆動力を超えて駆動力を発生し、駆動力の過剰部分によって発電できる構造の原動機において、蓄電池の起電力に応じて内燃機関を制御することを特徴とする制御装置。
4. キャパシタの端子電圧を内燃機関制御の予告信号として使用することを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
5. 持続性充放電特性を有する蓄電池及び瞬発性充放電特性を有するキャパシタを備え、蓄電池の起電圧がキャパシタの端子電圧を上回るときには、蓄電池からキャパシタに向けて放電し、下回るときには、キャパシタから蓄電池に向けて放電する電源装置の制御装置であって、蓄電池の起電圧とキャパシタの端子電圧との電圧差が小さい領域では、電圧差に比例した電流に、電圧差が大きい領域では、略一定の電流に制御することを特徴とする電源装置の制御装置。

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