JP2008253083A - 移動車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】キャパシタを過電圧から保護するとともに、回生制動用抵抗器を小形、軽量化して車載用電源として使用し易いものとする。
【解決手段】バッテリ２の正側端子とダイオードＤ₁のアノード側端子とを接続するとともに、ダイオードＤ₁のカソード側端子にキャパシタ３の一端及びインバータ５の直流入力正側端子を接続し、ダイオードＤ₁はモータ４からの回生電力によるバッテリ２への充電を阻止する。インバータ５の出力側にはモータ４を接続し、キャッパシタ３の他端はバッテリ２の負側端子と接続するとともに、インバータ５の直流入力負側端子もバッテリ２の負側端子と接続する。又、ダイオードＤ₁と並列に、ＭＯＳＦＥＴ９と回生制動用抵抗器ｒ₁との直列回路を接続し、ツェナーダイオード１０のアノード側端子をＭＯＳＦＥＴ９のゲート端子に接続するとともに、ツェナーダイオード１０のカソード側端子をダイオードＤ₁のカソード側端子と接続する。
【選択図】図１

Description

この発明は、移動車両にキャパシタを接続し、回生エネルギーを利用しようとした移動車両用電源装置に関するものである。

従来の技術としては、特許文献１〜３があり、これらはキャパシタとバッテリとを並列に接続し、回生電力をキャパシタに充電させ、バッテリ寿命を延ばすとともに、回生電力を有効に利用することにより、効率が高いハイブリッド電源装置を得ている。

又、図２のように、車両駆動装置１にバッテリ２とキャパシタ３とを並列接続した電源を接続し、車両駆動装置１の交流モータ（ＩＭ）４の回生エネルギーを利用しようとした場合、回生時に回生電力が大きいと、回生電力により充電されるキャパシタ３の電圧Ｖｃが上昇してインバータの許容直流上限電圧やキャパシタ３の定格上限電圧（使用電圧の最大値）を超えてしまうことがある。なお、５は車両駆動装置１に搭載されたインバータ、Ｖｂはバッテリ２の電圧、６は急速な充電電流の流入によってバッテリ２の内部抵抗上昇による電力損失の増大を防ぐために設けられたダイオードである。そして、キャパシタ３の電圧Ｖｃが上昇してインバータ５やキャパシタ３が破損、又ひいては交流モータ４が破損するのを防止するために、バッテリ２とキャパシタ３との間に回生制動用抵抗器７とスイッチ８の直列回路を並列に接続している。スイッチ８はキャパシタ３の電圧Ｖｃが所定値以上になると、オンし、回生電力を回生制動用抵抗器７により消費し、キャパシタ３の電圧Ｖｃが定格上限電圧以上になるのを防止する。
特開平６−２７０６９５号公報 特開２００２−３１５１０９号公報 特開平２００３−２１９５６６号公報

ところで、特許文献１の場合においては、その公報の図２、図３の構成において、モータからの回生電力をキャパシタに充電する際、回生エネルギが大きい、または回生制動が長く継続した場合、キャパシタ電圧の上昇が大きくなり、インバータやキャパシタの定格上限電圧を超えてインバータやキャパシタが破損、又ひいては交流モータが破損してしまうという恐れがあった。又、特許文献２においては、キャパシタとバッテリとが並列接続されているので、基本的にはバッテリの電圧変動が少なく、キャパシタが定格上限電圧を超えることはない。しかしながら、キャパシタとバッテリとは並列接続されているので、キャパシタに蓄積される回生エネルギの割合はキャパシタとバッテリの抵抗の逆数比となり、キャパシタの抵抗が大きい場合は蓄積エネルギが少なくなるという問題がある。加えて、最大過渡電流に基づいて、配線インダクタンスを含めたキャパシタとバッテリの各々の時定数Ｔ１，Ｔ２を設定する必要があり、車載用電源においては回路配置に制約があるため、使いづらいものとなった。さらに、特許文献３においても、特許文献１の場合と同様に、回生電力によりキャパシタを充電する際、キャパシタの電圧が上昇してインバータやキャパシタの定格上限電圧を超えてしまい、やはりインバータやキャパシタ、ひいては交流モータが破損する恐れがある。

一方、図２の移動車両用電源装置においては、回生電力を回生制動用抵抗器７により消費しているので、キャパシタ３の電圧Ｖｃが所定値以上になることはないが、回生電力を回生制動用抵抗器７のみで消費しているので、回生制動用抵抗器７自体が大容量で大形なものとなる。回生制動用抵抗器７が大形になると、回生制動用抵抗器７の搭載スペースを大きく確保する必要があるとともに、回生制動用抵抗器７の重量も重くなるため、移動車両用電源装置としては不向きであった。

この発明は上記のような課題を解決するために成されたものであり、キャパシタを過電圧から保護するとともに、回生制動用抵抗器を小形化、軽量化して車載用電源として使用し易いものとすることができる移動車両用電源装置を得ることを目的とする。

この発明の請求項１に係る移動車両用電源装置は、電力変換器の出力側に接続されるモータと、このモータの駆動電源となるバッテリと、アノード側端子がバッテリの正側端子と接続されるとともに、カソード側端子がキャパシタの一端及び電力変換器の直流入力正側端子と接続され、前記モータからの回生電力によるバッテリへの充電を阻止するダイオードと、他端がバッテリの負側端子に接続されたキャパシタと、バッテリの負側端子に接続された電力変換器の直流入力負側端子と、前記ダイオードと並列に接続され、キャパシタの両端の端子電圧が所定電圧以上で導通するスイッチと回生制動用抵抗器とを直列に接続した直列回路とを備えたものである。

請求項２に係る移動車両用電源装置は、前記電力変換器が、出力側に交流モータを接続する場合は、インバータとすることを、直流モータを接続する場合は、チョッパとするものである。

請求項３に係る移動車両用電源装置は、キャパシタの出力側をインバータを介して移動車両用モータに接続した際に、前記所定電圧は、インバータの許容直流上限電圧がキャパシタの定格上限電圧より低い場合、インバータの許容直流上限電圧−バッテリの開放電圧−（回生制動用抵抗器電流×バッテリの内部抵抗）であるものである。

請求項４に係る移動車両用電源装置は、キャパシタの出力側をインバータを介して移動車両用モータに接続した際に、前記所定電圧は、キャパシタの定格上限電圧がインバータの許容直流上限電圧より低い場合、キャパシタの定格上限電圧−バッテリの開放電圧−（回生制動用抵抗器電流×バッテリの内部抵抗）であるものである。

以上のようにこの発明の請求項１，２によれば、モータからの回生電力によるバッテリへの充電を阻止するダイオードのカソード側端子とバッテリの負側端子との間にキャパシタを接続するとともに、ダイオードと並列にキャパシタの両端の端子電圧が所定電圧以上で導通するスイッチと回生制動用抵抗器とを直列に接続した直列回路を接続しており、キャパシタは所定電圧を超えることがなくなり、キャパシタを過電圧から保護することができる。又、回生電力をキャパシタとバッテリに充電するので、回生制動用抵抗器を小形、軽量とすることができ、車載用電源として使用し易いものとすることができ、モータの駆動時間を延ばすことができる。

請求項３によれば、前記所定電圧を、インバータの許容直流上限電圧がキャパシタの定格上限電圧より低い場合、インバータの許容直流上限電圧−バッテリの開放電圧−（回生制動用抵抗器電流×バッテリの内部抵抗）としたので、インバータの許容直流上限電圧を超えることが無くなり、インバータ及びキャパシタを過電圧から保護することができる。その他、請求項１と同様な効果を奏する。

請求項４によれば、前記所定電圧を、キャパシタの定格上限電圧がインバータの許容直流上限電圧より低い場合、キャパシタの定格上限電圧−バッテリの開放電圧−（回生制動用抵抗器電流×バッテリの内部抵抗）としたので、キャパシタの定格上限電圧を超えることが無くなり、インバータ及びキャパシタを過電圧から保護することができる。その他、請求項１と同様な効果を奏する。

以下、この発明を実施するための最良の形態を図面とともに説明する。図１はこの発明の実施最良形態による移動車両用電源装置の回路図を示し、２はバッテリ、Ｄ₁は正側端子がバッテリ２の正側端子と接続されるとともに、負側端子がキャパシタ３の一端及びインバータ５の一端と接続されたダイオードであり、移動車両用モータ（交流モータ）４からの回生電力によるバッテリ２への充電を阻止する。キャパシタ３の他端はバッテリ２の負側端子と接続し、インバータ５の他端もバッテリ２の負側端子と接続する。又、インバータ５には交流モータ４を接続する。また、ダイオードＤ₁にはＮチャネルＭＯＳＦＥＴ９と回生制動用抵抗器ｒ₁とを直列接続した直列回路を並列に接続し、ダイオードＤ₁のアノード側端子とＮチャネルＭＯＳＦＥＴ９のゲート端子との間にはコンデンサＣと抵抗ｒ₂の並列接続回路が接続され、またツェナーダイオード１０のアノード側端子がＮチャネルＭＯＳＦＥＴ９のゲート端子と接続され、ツェナーダイオード１０のカソード側端子はダイオードＤ₁のカソード側端子に接続される。

次に、上記構成の動作について説明する。まず、ツェナーダイオード１０のツェナー電圧Ｖｚは、インバータ５の許容直流上限電圧がキャパシタ３の定格上限電圧より低い場合は、
Ｖｚ＝インバータ５の許容直流上限電圧−バッテリ２の開放電圧−（回生制動用抵抗器ｒ₁の電流×バッテリ２の内部抵抗） （１）
となり、逆にキャパシタ３の定格上限電圧がインバータ５の許容直流上限電圧より低い場合は、
Ｖｚ＝キャパシタ３の定格上限電圧−バッテリ２の開放電圧−（回生制動抵抗器ｒ₁の電流×バッテリ２の内部抵抗） （２）
と定め、上限電圧が低いものよりツエナー電圧Ｖｚが超えないようにする。回生制動時には、交流モータ４の回生電力はインバータ５を介してキャパシタ３に充電される。従って、この時点では、回生電流がバッテリ２へ流入することはない。次に、交流モータ４の回生制動が継続すると、キャパシタ３のの両端の端子電圧Ｖｃが上昇し、さらに回生制動が継続すると、キャパシタ３の端子電圧Ｖｃがツェナーダイオード１０のツェナー電圧Ｖｚを超える。キャパシタ３の端子電圧Ｖｃがツェナー電圧Ｖｚを超えたことにより、ツェナーダイオード１０が導通し、ＭＯＳＦＥＴ９のゲート端子に電圧が加わり、ＭＯＳＦＥＴ９のドレインとソースの間に電流が流れ、ＭＯＳＦＥＴ９がオンして、回生電流がキャパシタ３に充電されず、交流モータ４から回生制動用抵抗器ｒ₁及びＭＯＳＦＥＴ９を介してバッテリ２に流れ、回生電力は消費される。この時、ダイオードＤ₁によりバッテリ２への急速な充電電流の流入がなく、キャパシタ３の端子電圧Ｖｃがツェナー電圧Ｖｚを超えた回生電力のみバッテリ２へ充電されるので、バッテリ２の内部抵抗の上昇は少ない。以上のように、交流モータ４からの回生電力はまずキャパシタ３に蓄えられ、キャパシタ３の端子電圧Ｖｃがツェナー電圧Ｖｚを超えたときのみ、回生電力はバッテリ２に充電される。この時のインバータ５の許容直流上限電圧、又はキャパシタ３の定格上限電圧は、バッテリ２の両端の端子電圧より高くなるようにしておく。

一方、交流モータ４の駆動時には、キャパシタ３の両端の端子電圧がバッテリ２の両端の端子電圧より高いので、キャパシタ３の両端の端子電圧がバッテリ２の両端の端子電圧と等しくなるまでバッテリ２から放電電流が流出することはない。キャパシタ３の両端の端子電圧がバッテリ２の両端の端子電圧と等しくなった以降は、バッテリ２から交流モータ４とキャパシタ３に放電電流が流れるようになる。

以上のように、交流モータ４の回生制動時には、前記ツェナー電圧Ｖｚを超えるまでキャパシタ３に充電されるだけであり、交流モータ４の駆動時には、キャパシタ３の両端の端子電圧がバッテリ２の両端の端子電圧と等しくなるまで、バッテリ２から放電電流が流れないので、バッテリ２の充放電の回数を減らすことができるとともに、交流モータ４からの回生電力をキャパシタ３に充電することができるため、回生電力をバッテリ２（ダイオードＤ₁が無い場合）でのみ消費する場合に比べて、バッテリ２の寿命を延ばすことができるとともに、バッテリ２の内部抵抗の上昇が少ないので電力損失が少なく、交流モータ４の駆動時間を延ばすことができる。又、インバータ５の許容直流上限電圧を超える電圧がインバータ５の直流側の端子に加わることが無くなるので、インバータ５を過電圧から保護することができる、又はキャパシタ３の定格上限電圧を超える電圧がキャパシタ３の両端の端子に加わることが無くなるので、キャパシタ３を過電圧から保護することができる。さらに、回生電力をすべて回生制動用抵抗器ｒ₁で消費する従来技術に比べて、この実施最良形態ではツェナー電圧以下の回生電力をキャパシタ３に充電し、ツェナー電圧以上の回生電力をバッテリ２に充電するので、回生制動用抵抗器ｒ₁を小形、軽量化することができ、据付スペースに制約がある車載用電源として使用し易いものとなる。

なお、上記実施最良形態においては、スイッチをＮチャネルＭＯＳＦＥＴ９で構成したが、他の半導体スイッチを用いても良く、機械的スイッチを用いても良い。又、移動車両１のモータを交流モータ４としたが、直流モータでも良く、またインバータ５はチョッパでも良い。

この発明の実施最良形態による移動車両用電源装置の回路図である。 従来の移動車両用電源装置の回路図である。

符号の説明

１…車両駆動装置
２…バッテリ
３…キャパシタ
４…交流モータ
５…インバータ
９…ＭＯＳＦＥＴ
１０…ツェナーダイオード
ｒ₁…回生制動用抵抗器
Ｄ₁…ダイオード

Claims (4)

1. 電力変換器の出力側に接続されるモータと、このモータの駆動電源となるバッテリと、アノード側端子がバッテリの正側端子と接続されるとともに、カソード側端子がキャパシタの一端及び電力変換器の直流入力正側端子と接続され、前記モータからの回生電力によるバッテリへの充電を阻止するダイオードと、他端がバッテリの負側端子に接続されたキャパシタと、バッテリの負側端子に接続された電力変換器の直流入力負側端子と、前記ダイオードと並列に接続され、キャパシタの両端の端子電圧が所定電圧以上で導通するスイッチと回生制動用抵抗器とを直列に接続した直列回路とを備えたことを特徴とする移動車両用電源装置。
2. 前記電力変換器は、出力側に交流モータを接続する場合は、インバータとすることを、直流モータを接続する場合は、チョッパとすることを特徴とする請求項１記載の移動車両用電源装置。
3. キャパシタの出力側をインバータを介して移動車両用モータに接続した際に、前記所定電圧は、インバータの許容直流上限電圧がキャパシタの定格上限電圧より低い場合、インバータの許容直流上限電圧−バッテリの開放電圧−（回生制動用抵抗器電流×バッテリの内部抵抗）であることを特徴とする請求項１記載の移動車両用電源装置。
4. キャパシタの出力側をインバータを介して移動車両用モータに接続した際に、前記所定電圧は、キャパシタの定格上限電圧がインバータの許容直流上限電圧より低い場合、キャパシタの定格上限電圧−バッテリの開放電圧−（回生制動用抵抗器電流×バッテリの内部抵抗）であることを特徴とする請求項１記載の移動車両用電源装置。

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