JP2011526561A - ハイブリッド又は電気タイプの自動車用エネルギー貯蔵装置及び関連する電気エネルギー管理方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、電気駆動システム（７）及び／又は車載電気回路網に接続されるための高圧給電バス（２）と、前記給電バス（２）に接続された第１電気エネルギー貯蔵要素（３）とを含む、ハイブリッド又は電気タイプの自動車用電気エネルギー貯蔵装置（１）に本質的に関する。本発明によれば、第２貯蔵要素（４）が、電気結合機構（５）を介してバス（２）に接続され、この第２貯蔵要素（４）が、第１貯蔵要素（３）に対して並列にバス（２）に接続され、２つの貯蔵要素（３、４）の一方が、電気化学電池バッテリを含み、他方の貯蔵要素（３、４）が、スーパーキャパシタを含む。

Description

本発明は、ハイブリッド又は電気タイプの自動車用エネルギー貯蔵装置及び関連する電気エネルギー管理方法に関する。本発明は、かかるエネルギー貯蔵装置のコスト、性能及び寿命の間の折り合いを改善することを特に目的とする。

ハイブリッド車は、電気機械のような、電気駆動システムと結合して使用される熱機関を含む。このタイプの車両の一般的動作原理は、車両が特に市街地で閾値速度（例えば約６０ｋｍ／時）未満の速度で走行するときには電気機械のみ（純粋な電気モード）を、車両が市街地外で閾値速度を超える速度で走行するときには熱機関のみ（熱モード）を機能させることである。

電気機械が、車両の駆動を確保する場合、電気機械は、エネルギー貯蔵装置内に含まれるエネルギーを取り出す。回生段階で、特に車両の制動段階の際に、車両の運動エネルギーは、貯蔵装置内部に貯蔵される電気エネルギーに変換される。

これらの車両は、動作のために貯蔵装置でエネルギーを取り出すために貯蔵装置に連結されたヘッドライト、ラジオ、ワイパ又は空調のような車両のエネルギー消費要素のアセンブリを含む車載電気回路網を含む。

電極の電気化学反応により、電気エネルギーを化学エネルギーに（その逆も）変換する電気化学電池バッテリの形状を取るエネルギー貯蔵装置が知られている。すなわち酸化鉛−硫酸、ニッケル−金属水素化物、Ｌｉ−イオン、リチウムポリマーその他のタイプのバッテリが知られている。

電気化学電池バッテリのうちで、「エネルギー」型のバッテリと、「動力」型のバッテリが区別される。エネルギー型バッテリは、動力型バッテリよりも高い内部抵抗を有し、かつエネルギー型バッテリよりも長い期間、エネルギーを放出することを可能にする。一方、エネルギー型バッテリは、その高い内部抵抗を考慮すると、動力型バッテリよりも低い動力を放出する。

バッテリを「エネルギー」型にするか「動力」型にするかのタイプ分けは、バッテリの製造時に行われる。実際に、バッテリの電極を多くの活物質で被覆するほど、その貯蔵容量が高くなり、またその内部抵抗が高くなるほど、低い放出動力をもたらす。逆に、バッテリの電極を少しの活物質で被覆するほど、その貯蔵容量が低くなり、またその内部抵抗が低くなるほど、高い放出動力をもたらす。

しかしながら、電気化学バッテリは内部抵抗が比較的高いため、車両の動力要求に応えるバッテリを得るために、多数の蓄電池を使用することが必要であり、そうすると、必要空間が大きくなりすぎる。

その一方で、（イオン伝導を確保するために）絶縁多孔質膜によって分離された、２つの電解質含浸電極から構成される、スーパーキャパシタとも呼ばれるスーパーコンデンサが知られている。電荷が電極上に蓄積されるので、電解質は、この電荷蓄積の電気的観点での補償を確実に行う。

これらのスーパーキャパシタは、比較的短い期間に高い動力を放出することが可能である。（「エネルギー」型又は「動力」型の）電気化学電池バッテリに対して、スーパーキャパシタは、遙かに低い貯蔵容量を有するが、遙かに高い収率及び動力を有する。

本発明の原理は、これら様々なエネルギー貯蔵技術のそれぞれの利点の一部を引き出すために、これら様々なエネルギー貯蔵技術の組合せを利用する。

すなわち本発明において、第１電気エネルギー貯蔵要素の電圧レベルを第２貯蔵要素の電圧レベルに、及びその逆に適合させることを確実に行う電気結合機構を介して互いに結合された、第１電気エネルギー貯蔵要素と、第２貯蔵要素とを使用する。２つの貯蔵要素の一方は、電気化学電池バッテリを含み、他方の貯蔵要素は、スーパーキャパシタを含む。

本発明において、電気化学電池バッテリにより、スーパーキャパシタを機能的充電状態に、すなわち車両が回生段階に入るならばスーパーキャパシタがエネルギーを貯えられ、又は車両が電気動作段階に入るならばエネルギーを供給できるような充電状態に維持することが可能になる。

このために、エネルギー回生段階中にスーパーキャパシタの電圧が、スーパーキャパシタの充電状態に対応する電圧に達した場合、バッテリは、必要ならば更なるエネルギーを貯えることを可能にするために、スーパーキャパシタの充電状態を再下降させるのに適した電流でスーパーキャパシタのエネルギーを取り出す。

車両の純粋な電気駆動段階中に、スーパーキャパシタの電圧が、スーパーキャパシタの放電状態に相当する電圧に達した場合、バッテリは、必要ならば更なるエネルギーを電気機械に供給することを可能にするために、スーパーキャパシタの充電状態を再上昇させるのに適した電流でスーパーキャパシタにエネルギーを供給する。

本発明は、縮小した寸法の電気化学バッテリの使用を可能にし、このことは同時に、バッテリの質量、その必要空間、その電力並びにその容量の軽減をもたらす。その上、本発明は、電流の軽減を可能にし、したがって貯蔵装置の過熱の制限を可能にする。

したがって、本発明は、ハイブリッド又は電気タイプの自動車用電気エネルギー貯蔵装置であって、
−電気駆動システム及び／又は車載電気回路網に接続されるための高圧給電バスと、
−前記給電バスに接続された第１電気エネルギー貯蔵要素と
を含むことを特徴とし、
−第１貯蔵要素の電圧レベルを第２貯蔵要素の電圧レベルに、及びその逆に適合させることを確実に行う電気結合機構を介して高圧給電バスに接続された、第２貯蔵要素を更に含み、
−第２貯蔵要素が、第１貯蔵要素に対して並列にバスに接続され、
−２つの貯蔵要素の一方が、電気化学電池バッテリを含み、他方の貯蔵要素が、スーパーキャパシタを含むことを特徴とする装置に関する。

一実施形態によれば、バスに接続された第１貯蔵要素は、スーパーキャパシタを含み、第２貯蔵要素は、電気化学電池バッテリを含む。

一実施形態によれば、第１貯蔵要素は、８０〜１５０ボルトの電圧を放出し、かつ１５〜３５ｋＷの動力を供給できる、スーパーキャパシタを含む。

一実施形態によれば、第２貯蔵要素は、１２〜６０ボルトの電圧を放出し、かつ２〜２０メガジュールの貯蔵容量を有する、電気化学電池バッテリを含む。

一実施形態によれば、結合機構は、１〜５ｋＷの動力の可逆式直流−直流（ＤＣ／ＤＣ）コンバータである。

本発明は更に、本発明によるエネルギー貯蔵装置を備えたハイブリッド又は電気タイプの自動車であって、
−第２電気結合機構を介して高圧バスに接続された車載回路網と、
−交流／直流コンバータを介して高圧バスに接続された電気駆動システムとを含むことを特徴とする自動車に関する。

一実施形態によれば、コンバータは、８０〜１５０ボルトの電圧を受容し、約４０ｋＷの動力を有し、一方、直流／直流コンバータは、約１ｋＷ程度の動力をサポートする。

本発明は更に、本発明による電気又はハイブリッド車における電気エネルギー管理方法であって、純粋な電気駆動段階で、電気駆動システムが、車両の駆動を確実に行うためにスーパーキャパシタの端子からエネルギーを取り出し、一方、このエネルギー取り出しを補償するために、電気エネルギーが結合機構を介してバッテリからスーパーキャパシタに移動されることを特徴とする方法に関する。

一実施形態によれば、電気エネルギー回生段階において、スーパーキャパシタは、電気駆動システムから生じたエネルギーを貯え、一方、スーパーキャパシタの充電を遅らせるために、電気エネルギーが結合機構を介してスーパーキャパシタからバッテリに移動される。

一実施形態によれば、車両がエネルギー回生段階に入る場合は、スーパーキャパシタの充電レベルが、スーパーキャパシタが電気駆動システムから生じた電気エネルギーを貯蔵できるレベルになるように、また車両が電気モードで動作する場合は、電気駆動システムにエネルギーを供給できるレベルになるように、エネルギー回生段階の終了時に（又は純粋な電気駆動段階の終了時に）、スーパーキャパシタが充電状態（又は放電状態）にある場合に、好ましくは純粋な熱駆動段階の間、スーパーキャパシタからバッテリへの（又はバッテリからスーパーキャパシタへの）エネルギー移動が行われる。

本発明は、以下の説明を読み、添付の図を検討すれば、より良く理解されるであろう。これらの図は、例としてのみ与えられ、いささかも本発明を限定するものではない。

本発明による電気エネルギー貯蔵装置の一般的原理の略図である。 車両の電気駆動システム及び車載電気回路網に接続された本発明による貯蔵装置の好ましい実施形態の略図である。 図２による貯蔵装置を備えたハイブリッド車の貯蔵要素端子での電圧、これらの要素間の動力交換、及び電気機械の動力のタイミング図である。

同一の要素は、図毎に同じ参照符号を付す。

図１は、電気機械のような車両の電気駆動システム、及び／又は前記車両の車載電気回路網に接続されるための高圧直流給電バス２を含む貯蔵装置１を示す。

第１電気エネルギー貯蔵要素３は、このバス２に接続される。第２電気エネルギー貯蔵要素４は、電気結合機構５を介してバス２に接続される。この第２貯蔵要素４は、第１要素３に対して並列に結合機構５を介してバス２に接続される。

結合機構５は、第１貯蔵要素３の電圧レベルを第２貯蔵要素４の電圧レベルに、及びその逆に適合させることを確実に行う可逆式直流／直流コンバータである。

本発明の一実施形態において、スーパーキャパシタのような低い内部抵抗の貯蔵要素３又は４を、エネルギー型又は動力型の電気化学電池バッテリのような高い貯蔵容量の貯蔵要素３又は４と同時に組み合わせる。この構成により、最適な期間で車両のバス２の高い動力要求に応えることが可能になる。

一変形形態において、貯蔵要素３又は４の一方は、動力型バッテリの形状を取り、他方の貯蔵要素３又は４は、エネルギー型バッテリの形状を取る。

図２は、本発明による貯蔵装置１の好適な例示的実施形態を示す。

この実施形態によれば、第１貯蔵要素３は、１５〜３５ｋＷの動力を供給でき、８０〜１５０ボルトの電圧を放出する、スーパーキャパシタを含む。

第２貯蔵要素４は、１２〜６０ボルトの電圧を放出し、２〜２０ＭＪ（メガジュール）の貯蔵容量を有する、電気化学電池バッテリを含み、この貯蔵容量は、いくつかの実施形態において６０又は１００ＭＪに及び得る。

結合機構５は、動力１〜５ｋＷの可逆式直流−直流（ＤＣ／ＤＣ）コンバータである。

その上、電気機械のような駆動システム７は、交流−直流（ＡＣ／ＤＣ）コンバータの形状を取る電気結合機構８を介してバス２に接続される。この機構８は、８０〜１５０ボルトの電圧を受容し、約４０ｋＷの動力を有する。機械７が発電機モードで動作するとき、機構８は、機械７によって放出された交流電圧をバス２に印加される直流電圧に変換するように整流器モードで動作する。機械７がエンジンモードで動作するとき、機構８は、バス２の直流電圧を機械７の各相に印加される三相交流電圧に変換するようにインバータモードで動作する。

その上、車両の車載電気回路網のバス９は、１ｋＷ程度の動力をサポートする直流／直流コンバータ１０を介してバス２に接続される。車載電気回路網とは、バス９に直列又は並列に分岐した車両の電気消費構成要素のアセンブリを含む電気回路網を意味する。これらの電気消費要素は、特にヘッドライト、ラジオ、空調、ワイパ等である。コンバータ１０は、車載回路網で観察できる電圧レベルを、バス２で観察できる電圧レベルに、及びその逆に適合させる。車載回路網での電圧は、１２Ｖ前後に維持される。

本発明の装置１は、図３のタイミング図に示される本発明によるエネルギー管理方法を利用するために装置１の様々な要素３、４及び５を操作できる制御ユニット（図示しない）を更に含む。

より正確には、図３は、本発明によるハイブリッド車の様々な動作段階１１〜１５における、それぞれが図２による貯蔵装置１のスーパーキャパシタ３及びバッテリ４の端子での電圧であるＵＣＡＰ及びＶＢＡＴ、スーパーキャパシタ３とバッテリ４との間の動力交換ＰＤＣ／ＤＣ、及び電気機械７の動力ＰＭＥＬの時間的変動を示すグラフを表す。

エネルギー移動がバッテリ４からスーパーキャパシタ３に行われる場合、動力交換ＰＤＣ／ＤＣが正であると考え、エネルギー移動がスーパーキャパシタ３からバッテリ４に行われる場合、動力交換ＰＤＣ／ＤＣが負であると考える。

電気機械７がエンジンモードで動作するとき、動力ＰＭＥＬは正であり、電気機械７が発電機モードで機能するとき、動力ＰＭＥＬは負である。

動作段階１１において、電気機械７が、エンジンモードで機能するとき（正のＰＭＥＬ）、電気機械７は、スーパーキャパシタ３の端子における電圧ＵＣＡＰが低下するように、車両の駆動を確実に行うためにスーパーキャパシタ３の端子でエネルギーを取り出す。他方、バッテリ４の端子における電圧ＶＢＡＴが同様に低下するように、このエネルギー取り出しを補償するために、電気エネルギーが、バッテリ４からスーパーキャパシタ３に移動される（正のＰＤＣ／ＤＣ）。この段階１１の終了時に、スーパーキャパシタ３は、放電状態に対応する電圧Ｖｄを有する。ハイブリッド車においては、この段階１１を、熱駆動段階（ブーストモード）と組み合わせて利用することができる。

動作段階１２において、車両が熱モードで機能するとき、スーパーキャパシタ３及びバッテリ４は駆動されない。バッテリ４は休止し、ゼロ電流での電圧に近い電圧Ｖｏを取る。スーパーキャパシタ３の端子における電圧ＵＣＡＰは、ほぼ変わらない状態に留まる。

動作段階１３において、車両が熱モードで機能するとき、コンバータ５を介してバッテリ４からスーパーキャパシタ３に電流を放電して、バッテリ４からスーパーキャパシタ３に電気エネルギーの移動が行われる。このエネルギー移動は、車両が後の電気駆動段階に入る場合に、機械７に電気エネルギーを提供することが、また車両がエネルギー回生段階に入る場合に、機械７から生じたエネルギーを貯蔵することが可能なように、スーパーキャパシタ３の電圧ＵＣＡＰをＶｄからＶｆレベルに上げることを目的とする。換言すると、この段階１３において、前記スーパーキャパシタ３をできるだけ機能的な状態に維持するために、スーパーキャパシタ３の電圧を上げる。

回生制動段階１４において、車両は減速し、かつ車両の運動エネルギーを電気エネルギーに変えるために、電気機械７を発電機として（負のＰＭＥＬ）使用する。スーパーキャパシタ３は、その端子における電圧ＵＣＡＰが増加するように、電気機械７から生じたエネルギーを貯蔵する。この段階１４の終了時に、スーパーキャパシタ３は、充電状態に対応する電圧Ｖｃを有する。スーパーキャパシタ３の充電を遅らせるために、コンバータ５を介してスーパーキャパシタ３の電気エネルギーをバッテリ４に移動させること（負のＰＤＣ／ＤＣ）も可能であるが、必須ではない。

動作段階１５において、車両が熱モードで動作する場合に、スーパーキャパシタ３が次回の制動でエネルギーを再度回生できるように、また車両が電気駆動段階に入る場合に、電気機械７にエネルギーを供給できるように、スーパーキャパシタ３の電圧を電圧ＶｃからレベルＶｆ’に下げるために、コンバータ５を介してスーパーキャパシタ３からバッテリ４へ電流を放電して、スーパーキャパシタ３からバッテリにエネルギーの移動が行われる（負のＰＤＣ／ＤＣ）。換言すると、この段階１５において、先の段階１３におけると同様に、前記スーパーキャパシタ３をできるだけ機能的な状態に維持するために、スーパーキャパシタ３の電圧を変動させる。一例においては、電圧レベルＶｆ及びＶｆ’は、ほぼ等しくてもよい。

Claims (10)

1. ハイブリッド又は電気タイプの自動車用電気エネルギー貯蔵装置（１）であって、
   電気駆動システム（７）及び／又は車載電気回路網に接続されるための高圧給電バス（２）と、
   前記給電バス（２）に接続された第１電気エネルギー貯蔵要素（３）と
   を含むことを特徴とし、
   前記第１貯蔵要素（３）の電圧レベルを第２貯蔵要素（４）の電圧レベルに、及びその逆に適合させることを確実に行う電気結合機構（５）を介して前記高圧給電バス（２）に 接続された、第２貯蔵要素（４）を更に含み、
   前記第２貯蔵要素（４）が、前記第１貯蔵要素（３）に対して並列に前記バス（２）に接続され、
   前記２つの貯蔵要素（３、４）の一方が、電気化学電池バッテリを含み、他方の貯蔵要素（３、４）が、スーパーキャパシタを含むことを特徴とする装置。
2. 前記バスに接続された前記第１貯蔵要素（３）が、スーパーキャパシタを含み、前記第２貯蔵要素（４）が、電気化学電池バッテリを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記第１貯蔵要素（３）が、８０〜１５０ボルトの電圧を放出し、かつ１５〜３５ｋＷの動力を供給できる、スーパーキャパシタを含むことを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記第２貯蔵要素（４）が、１２〜６０ボルトの電圧を放出し、かつ２〜２０メガジュールの貯蔵容量を有する、電気化学電池バッテリを含むことを特徴とする請求項２又は３に記載の装置。
5. 前記結合機構（５）が、動力１〜５ｋＷの可逆式直流−直流（ＤＣ／ＤＣ）コンバータであることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵装置を備えたハイブリッド又は電気タイプの自動車であって、
   第２電気結合機構（１０）を介して前記高圧バス（２）に接続された車載回路網と、
   交流／直流コンバータ（８）を介して前記高圧バス（２）に接続された電気駆動システム（７）とを含むことを特徴とする自動車。
7. 前記コンバータ（８）が、８０〜１５０ボルトの電圧を受容し、かつ約４０ｋＷの動力を有し、直流／直流コンバータ（１０）が、約１ｋＷ程度の動力をサポートすることを特徴とする請求項６に記載の自動車。
8. 請求項６又は７に記載の電気又はハイブリッド車における電気エネルギー管理方法であって、純粋な電気駆動段階で、前記電気駆動システム（７）が、車両の駆動を確実に行うためにスーパーキャパシタ（３）の端子からエネルギーを取り出し、このエネルギー取り出しを補償するために、電気エネルギーが前記結合機構（５）を介して前記バッテリ（４）から前記スーパーキャパシタ（３）に移動されることを特徴とする方法。
9. 電気エネルギー回生段階において、前記スーパーキャパシタ（３）が、前記電気駆動システム（７）から生じたエネルギーを貯蔵し、前記スーパーキャパシタ（３）の充電を遅らせるために、前記電気エネルギーが前記結合機構（５）を介して前記スーパーキャパシタ（３）から前記バッテリ（４）に移動されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記スーパーキャパシタ（３）の充電レベル（Ｖｆ、Ｖｆ’）が、前記車両がエネルギー回生段階に入る場合は、前記スーパーキャパシタ（３）が前記電気駆動システム（７）から生じた電気エネルギーを貯蔵できるレベルになるように、また前記車両が電気モードで動作する場合は、前記電気駆動システム（７）にエネルギーを供給できるレベルになるように、
    エネルギー回生段階の終了時に（又は純粋な電気駆動段階の終了時に）、前記スーパーキャパシタが充電状態（又は放電状態）にある場合に、好ましくは純粋な熱駆動段階の間、前記スーパーキャパシタ（３）から前記バッテリ（４）への（又は前記バッテリ（４）から前記スーパーキャパシタ（３）への）エネルギーの移動が行われることを特徴とする請求項８又は９に記載の方法。

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