JP2012023803A - Dc-dc converter for driving motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、DC−DCコンバータに関し、特に、モーター駆動回路への電力供給に関する。 The present invention relates to a DC-DC converter, and more particularly to power supply to a motor drive circuit.
従来から直流高電圧の電源を、より低い電圧の直流定電圧電源に変換する、DC−DCコンバータが知られている。このようなDC−DCコンバータでは、電流容量が大きく電圧が高い直流電源を用いて、負荷電流に応じてスイッチ素子のオンの間隔を制御するPWM方式により、電力ロスを無視して所定の直流定電圧を作る。 2. Description of the Related Art Conventionally, a DC-DC converter that converts a direct current high voltage power source to a lower voltage direct current constant voltage power source is known. In such a DC-DC converter, a DC power supply having a large current capacity and a high voltage is used, and a predetermined DC constant is set by ignoring power loss by a PWM system that controls the ON interval of the switch element according to the load current. Make a voltage.
一方、すでに、チョークコイルを用いる直流定電圧DC−DCコンバータが知られている。この場合、チョークコイルは高周波遮断フィルターであると共に、スイッチングにより作った矩形波の凸の部分でコイルにエネルギーを蓄積し、凹の部分で電流を供給して出力を平坦にするために用いられた。 On the other hand, a DC constant voltage DC-DC converter using a choke coil is already known. In this case, the choke coil is a high-frequency cutoff filter, and is used to store energy in the coil at the convex part of the rectangular wave created by switching, and to supply current at the concave part to flatten the output. .
例えば大電力を必要とする電気自動車のモーターの駆動では、加速時に大きな電力供給を必要とする。このような状況に対応するために、電気2重層型コンデンサ、いわゆるスーパーキャパシタを二次電池と並列接続して二次電池の定格電圧の1.4倍程度の同じ電圧で充電し、コンデンサの高周波特性が二次電池に比べて優れることを利用して、コンデンサに蓄積された電荷を加速時の大電力供給に用いる可能性が示されてきた。 For example, driving an electric vehicle motor that requires a large amount of electric power requires a large amount of electric power during acceleration. In order to cope with such a situation, an electric double layer capacitor, so-called super capacitor, is connected in parallel with the secondary battery and charged with the same voltage that is about 1.4 times the rated voltage of the secondary battery. It has been shown that the electric charge stored in the capacitor can be used for supplying a large amount of electric power during acceleration by utilizing the characteristics superior to those of the secondary battery.
特に、電気自動車用のように、電源側の容量が限られ、負荷変動が大きいため、既存のDC−DCコンバータでは入力側の電源電圧と、モーターへ出力する二次電池の電圧が、大幅に変動するような状況では、電源の容量が十分で一定電圧であり、かつ負荷変動が小さいことを条件とするPWM方式では対応できないという問題があった。 In particular, as for electric vehicles, the capacity on the power supply side is limited and the load fluctuation is large. Therefore, in the existing DC-DC converter, the power supply voltage on the input side and the voltage of the secondary battery output to the motor are greatly increased. In such a situation where there is a fluctuation, there is a problem in that the PWM method cannot be handled by the condition that the capacity of the power source is sufficient, the voltage is constant, and the load fluctuation is small.
二次電池とそれに接続されたモーターを駆動するには、大容量の電源と二次電池を用いれば実現できる。しかし、例えば、重量が250Kg以下の小型電気自動車等の限られた重量とコストのシステムでは、大容量の電源と二次電池の大量使用による解決はコストと重量の面で好ましくないという問題があった。 Driving a secondary battery and a motor connected thereto can be realized by using a large-capacity power source and a secondary battery. However, for example, in a limited weight and cost system such as a small electric vehicle having a weight of 250 kg or less, there is a problem that a solution by using a large capacity power source and a large amount of a secondary battery is not preferable in terms of cost and weight. It was.
例えば、電気自動車を加速する際、その加速度は駆動するモーターの出力トルクに比例する。モーターのトルクはモーターに供給される瞬時電力に比例する。車載二次電池から十分な瞬時電力を供給するには、電池の内部抵抗を減らすために十分な電極面積が必要であり、この結果二次電池容量は大きくなる。二次電池容量が大きくなることは、電池重量が増加し、これを支える車体構造の大型化をまねき、コスト増加の根本的な原因となるという問題があった。 For example, when accelerating an electric vehicle, the acceleration is proportional to the output torque of the driving motor. The motor torque is proportional to the instantaneous power supplied to the motor. In order to supply sufficient instantaneous power from the in-vehicle secondary battery, a sufficient electrode area is required to reduce the internal resistance of the battery, and as a result, the secondary battery capacity increases. Increasing the secondary battery capacity has a problem in that the battery weight increases, leading to an increase in the size of the vehicle body structure that supports the secondary battery capacity, which causes a fundamental increase in cost.
電気自動車は加速時に負荷が大きくなり、発電機等の電源から供給される電力を超える電力をモーターに供給しなければならず、従来は発電機出力を蓄える二次電池の容量を大きくすることで対応したため重量増加を招いた。そのような状況に対処する、加速時の大電力負荷を供給するDC−DCコンバータの発明が望まれている。 An electric vehicle has a heavy load during acceleration, and it must supply power to the motor that exceeds the power supplied from the power source such as a generator. Conventionally, by increasing the capacity of the secondary battery that stores the generator output, In response, the weight increased. An invention of a DC-DC converter that supplies such a large power load during acceleration that addresses such a situation is desired.
すなわち、入力側の電源の電圧及び出力側の電圧が、負荷で大きく変動するような状況で使用可能なDC−DCコンバータであって、大容量の電源あるいは大容量の二次電池を使用せずに、負荷が大きいときには、電源から供給される電力を超える電力を出力することが可能なDC−DCコンバータが要求されている。 That is, it is a DC-DC converter that can be used in a situation where the voltage of the power supply on the input side and the voltage on the output side fluctuate greatly depending on the load, and does not use a large capacity power supply or a large capacity secondary battery. In addition, there is a demand for a DC-DC converter that can output power exceeding the power supplied from the power source when the load is large.
上述の課題を解決するために、本願発明の一実施形態に従うDC−DCコンバータは、交流電源の出力を整流する整流回路からの出力を蓄電するコンデンサと、前記コンデンサと並列に接続された二次電池と、前記コンデンサと前記二次電池の間に直列に接続された主チョークコイル及び主スイッチと、を含むことを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention includes a capacitor that stores an output from a rectifier circuit that rectifies an output of an AC power supply, and a secondary connected in parallel with the capacitor. And a main choke coil and a main switch connected in series between the capacitor and the secondary battery.
また、上述の課題を解決するために、本願発明の一実施形態に従うDC−DCコンバータの制御方法は、電源に接続され、電源からの出力を整流する整流回路と、前記整流回路からの出力を蓄電するコンデンサと、前記コンデンサと並列に接続された二次電池と、前記整流回路と前記コンデンサの間に直列に接続された副チョークコイル及び副スイッチと、前記コンデンサと前記二次電池の間に直列に接続された副チョークコイル及び副スイッチと、を含むDC−DCコンバータの制御方法であって、
前記整流回路の前記出力の電圧と前記コンデンサの端子電圧との電位差と半導体スイッチに流れる電流に基づいて前記副半導体スイッチを制御するステップ、
前記コンデンサの端子電圧と前記二次電池の電位差の関数とてし、前記主半導体スイッチ回路の駆動周波数を変化して主チョークコイルのインピーダンスを制御するステップ、を含むことを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, a method for controlling a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention includes a rectifier circuit connected to a power source and rectifying an output from the power source, and an output from the rectifier circuit. A capacitor for storing electricity, a secondary battery connected in parallel with the capacitor, a sub-choke coil and a sub-switch connected in series between the rectifier circuit and the capacitor, and between the capacitor and the secondary battery A control method of a DC-DC converter including a sub-choke coil and a sub-switch connected in series,
Controlling the sub-semiconductor switch based on a potential difference between the output voltage of the rectifier circuit and a terminal voltage of the capacitor and a current flowing in the semiconductor switch;
And changing the driving frequency of the main semiconductor switch circuit to control the impedance of the main choke coil as a function of the terminal voltage of the capacitor and the potential difference of the secondary battery.
(発明の全般的な説明)
本発明の実施形態に従うDC−DCコンバータは、交流電源の出力を整流する整流回路からの出力を蓄電するコンデンサと、前記コンデンサと並列に接続された二次電池と、前記コンデンサと前記二次電池の間に直列に接続された主チョークコイル及び主スイッチと、を含むことを特徴とする。
(General description of the invention)
A DC-DC converter according to an embodiment of the present invention includes a capacitor that stores an output from a rectifier circuit that rectifies an output of an AC power supply, a secondary battery connected in parallel with the capacitor, the capacitor, and the secondary battery. Between the main choke coil and the main switch connected in series.
このような構成のDC−DCコンバータは、整流回路の過電流を防ぐために、整流回路とコンデンサの間に直列に接続された副チョークコイルと、高電圧で充電されたコンデンサの電荷を加速時の瞬時電力源として使用するための、コンデンサと二次電池の間に直列に接続された主チョークコイルを配置し、二次電池とモーターに過電圧をかけずにモーターに大電力を与えるため、独立に制御してチョークコイルのインピーダンスを変化し、電力損失無しに電圧を降下させることができる。 In the DC-DC converter having such a configuration, in order to prevent an overcurrent of the rectifier circuit, the auxiliary choke coil connected in series between the rectifier circuit and the capacitor and the charge of the capacitor charged with a high voltage are accelerated. A main choke coil connected in series between the capacitor and the secondary battery for use as an instantaneous power source is placed in order to provide high power to the motor without applying an overvoltage to the secondary battery and the motor. It can be controlled to change the impedance of the choke coil and drop the voltage without power loss.
主チョークコイルには、電流遮断時にコイルに発生する逆起電力で二次電池、コンデンサあるいはスイッチに過電圧が印加されることを防ぐために、二次電池側をアノードとしてダイオードをコイルに並列に接続しても良い。 The main choke coil has a diode connected in parallel to the coil with the secondary battery side as the anode in order to prevent overvoltage from being applied to the secondary battery, capacitor or switch due to the counter electromotive force generated in the coil when the current is interrupted. May be.
このような構成のDC−DCコンバータは、 充電電流は全位相で正方向であるが、直流レベルのシフトを、チョークコイルの電流変動の周波数に比例するインピーダンス変化を利用して実現することができる。 In the DC-DC converter having such a configuration, the charging current is positive in all phases, but a direct current level shift can be realized by using an impedance change proportional to the frequency of the current fluctuation of the choke coil. .
このような構成のDC−DCコンバータは、大きな負荷変動によるDC−DCコンバータの出力変動を、電気二重層型などの大容量コンデンサを用いて平準化をおこない、コンデンサに蓄積した電力を制御することで出力制御が可能になり、電源の供給できる最大電力を有効に利用することができる。 The DC-DC converter having such a configuration controls the power accumulated in the capacitor by leveling the output fluctuation of the DC-DC converter due to a large load fluctuation using a large-capacity capacitor such as an electric double layer type. Thus, output control is possible, and the maximum power that can be supplied by the power supply can be used effectively.
本発明の別の実施形態に従うDC−DCコンバータは、電源はモーターの最大消費電力に比べて大幅に出力の小さなエンジン発電機であることを特徴とする。 The DC-DC converter according to another embodiment of the present invention is characterized in that the power source is an engine generator having a significantly smaller output than the maximum power consumption of the motor.
また、このようなDC−DCコンバータを電気自動車に応用すれば、電源の供給できる最大電力を有効に利用することができるので、二次電池容量が大きくなくても済む。これによって、電気自動車の製造コストを抑制することができる。 Further, if such a DC-DC converter is applied to an electric vehicle, the maximum power that can be supplied by the power source can be used effectively, so that the secondary battery capacity does not have to be large. Thereby, the manufacturing cost of the electric vehicle can be suppressed.
本発明の別の実施形態に従うDC−DCコンバータは、交流電源に接続され、電源からの出力を整流する整流回路と、前記整流回路からの出力を蓄電するコンデンサと、前記コンデンサと並列に接続された二次電池と、前記整流回路と前記コンデンサの間に直列に接続された副チョークコイル及び副スイッチと、前記コンデンサと前記二次電池の間に直列に接続された主チョークコイル及び主スイッチと、を含むことを特徴とする。 A DC-DC converter according to another embodiment of the present invention is connected to an AC power supply, and rectifies a rectifier circuit that rectifies an output from the power supply, a capacitor that stores an output from the rectifier circuit, and is connected in parallel to the capacitor. A secondary battery, a secondary choke coil and a secondary switch connected in series between the rectifier circuit and the capacitor, a primary choke coil and a primary switch connected in series between the capacitor and the secondary battery, , Including.
このような構成のDC−DCコンバータは、整流回路の過電流を防ぐために、整流回路とコンデンサの間に直列に接続された副チョークコイル及び副スイッチと、高電圧で充電されたコンデンサの電荷を加速時の瞬時電力源として使用するための、コンデンサと二次電池の間に直列に接続された主チョークコイル及び主スイッチを配置し、二次電池とモーターに過電圧をかけずにモーターに大電力を与えるため、独立に制御してチョークコイルのインピーダンスを変化し、電力損失無しに電圧を降下させることができることを特徴とする。 In the DC-DC converter having such a configuration, in order to prevent an overcurrent of the rectifier circuit, the sub choke coil and the sub switch connected in series between the rectifier circuit and the capacitor, and the charge of the capacitor charged with a high voltage are used. A main choke coil and a main switch connected in series between the capacitor and the secondary battery for use as an instantaneous power source during acceleration are arranged, and the motor is powered with high power without applying an overvoltage to the secondary battery and the motor. Therefore, the impedance of the choke coil can be changed independently to reduce the voltage without power loss.
このような構成のDC−DCコンバータは、発電機から出力される限られた電力量に比べて、モーターの出力電力の変化量が大きくてもコンデンサを利用して平準化をおこなう。コンデンサに電源からの電力を充電し、この蓄えた電力を使って短時間の大電力出力を行うことで、発電機の供給できる電力を有効に利用することができる。 The DC-DC converter having such a configuration performs leveling using a capacitor even if the amount of change in the output power of the motor is large compared to the limited amount of power output from the generator. By charging the capacitor with electric power from the power source and using the stored electric power to output a large amount of power for a short time, the electric power that can be supplied by the generator can be used effectively.
本実施形態に従うDC−DCコンバータでは、車載発電機の容量内で、自動車の加速、定速運転、停止の運転モードの変化に伴う駆動電力変動を平準化する電力制御システムを構築し、二次電池容量を大幅に減少させることで、低価格化、低重量化を達成することができる。 In the DC-DC converter according to the present embodiment, a power control system that equalizes driving power fluctuations associated with changes in the driving mode of acceleration, constant speed operation, and stop of an automobile within the capacity of the on-vehicle generator is constructed. By significantly reducing the battery capacity, it is possible to achieve a reduction in price and weight.
また、上述の課題を解決するために、本願発明の一実施形態に従うDC−DCコンバータの制御方法は、電源に接続され、電源からの出力を整流する整流回路と、前記整流回路からの出力を蓄電するコンデンサと、前記コンデンサと並列に接続された二次電池と、前記整流回路と前記コンデンサの間に直列に接続された副チョークコイル及び副スイッチと、前記コンデンサと前記二次電池の間に直列に接続された副チョークコイル及び副スイッチと、を含むDC−DCコンバータの制御方法であって、
前記整流回路の前記出力の電圧と前記コンデンサの端子電圧との電位差と半導体スイッチに流れる電流に基づいて前記副半導体スイッチを制御するステップ、
前記コンデンサの端子電圧と前記二次電池の電位差の関数とてし、前記主半導体スイッチ回路の駆動周波数を変化して主チョークコイルのインピーダンスを制御するステップ、を含むことを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, a method for controlling a DC-DC converter according to an embodiment of the present invention includes a rectifier circuit connected to a power source and rectifying an output from the power source, and an output from the rectifier circuit. A capacitor for storing electricity, a secondary battery connected in parallel with the capacitor, a sub-choke coil and a sub-switch connected in series between the rectifier circuit and the capacitor, and between the capacitor and the secondary battery A control method of a DC-DC converter including a sub-choke coil and a sub-switch connected in series,
Controlling the sub-semiconductor switch based on a potential difference between the output voltage of the rectifier circuit and a terminal voltage of the capacitor and a current flowing in the semiconductor switch;
And changing the driving frequency of the main semiconductor switch circuit to control the impedance of the main choke coil as a function of the terminal voltage of the capacitor and the potential difference of the secondary battery.
ここで、電源はエンジン発電機であり、DC−DCコンバータはモーターに接続され、モーターは電気自動車の動力を提供しても良い。 Here, the power source may be an engine generator, the DC-DC converter may be connected to a motor, and the motor may provide power for the electric vehicle.
エンジン発電機としては定格900Wクラスの電力を発生する発電機を例示し、モーターとしては定格600W、最大電力は4KWを例示することができる。 Examples of the engine generator include a generator that generates a power of a rated 900 W class. Examples of the motor include a rated power of 600 W and a maximum power of 4 KW.
本実施形態の場合、発電機の出力電圧は二次電池の定格電圧の2〜5倍に設定しコンデンサを充電しても良い。 In the case of this embodiment, the output voltage of the generator may be set to 2 to 5 times the rated voltage of the secondary battery to charge the capacitor.
コンデンサに蓄えられた、コンデンサと二次電池の電圧差とコンデンサ容量の積で表される電荷は、電気自動車の加速用の瞬時電力として供給されても良い。 The electric charge stored in the capacitor and represented by the product of the voltage difference between the capacitor and the secondary battery and the capacitor capacity may be supplied as instantaneous power for acceleration of the electric vehicle.
コンデンサは、最大加速する5〜10秒間の電力を供給するに足る容量を選択することが好ましい。 The capacitor is preferably selected to have a capacity sufficient to supply power for 5 to 10 seconds for maximum acceleration.
二次電池は、重量低減を目的として急加速後10分間の緩やかな加速に要する電力を供給するに足る容量に制限することが好ましい。 The secondary battery is preferably limited to a capacity sufficient to supply electric power required for gradual acceleration for 10 minutes after rapid acceleration for the purpose of weight reduction.
発電機の能力は、40〜60Km/Hの定速運転に要する量をわずかに上回る程度とすれば、従来のハイブリッド車のような大きな出力の発電機を使用する必要がなく、小型化と軽量化に貢献することができる。 If the capacity of the generator is slightly higher than the amount required for constant speed operation of 40-60 Km / H, it is not necessary to use a large output generator like a conventional hybrid vehicle, and it is small and lightweight. Can contribute.
また、発電機出力が小さく、モーターを最大電力で使用した場合10分程度でキャパシタンスと二次電池に蓄積した電力を使い切るため、モーターを破損する連続高出力運転状態が起こらなくすることができる。 In addition, when the generator output is small and the motor is used at the maximum power, the capacitance and the power stored in the secondary battery are used up in about 10 minutes, so that it is possible to prevent a continuous high output operation state that damages the motor.
また、本発明に従うDC−DCコンバータを用いた駆動回路は、高電圧キャパシタを使った無損失電力供給系であるので、電気自動車の価格と重量を押し上げる原因となるリチウムイオン等の二次電池容量を10分の1程度に減らし、通常の加速、定速走行、停止の組み合わされるパターンでの走行には必要十分な電力をモーターに供給することができる。 In addition, since the drive circuit using the DC-DC converter according to the present invention is a lossless power supply system using a high voltage capacitor, the capacity of the secondary battery such as lithium ion, which increases the price and weight of the electric vehicle. Can be reduced to about 1/10, and sufficient electric power can be supplied to the motor for traveling in a pattern in which normal acceleration, constant speed traveling, and stopping are combined.
さらに本発明により、リチウムイオン等の二次電池を、例えば、従来の小型電気自動車で使用される鉛二次電池等で代用することができ、コスト的なアドバンテージを得ることができる。 Furthermore, according to the present invention, a secondary battery such as lithium ion can be substituted with, for example, a lead secondary battery used in a conventional small electric vehicle, and a cost advantage can be obtained.
また、二次電池の積載量が少なくなるため、車体構造を小型化できる。この結果、使用する構造材料の削減量の2乗に比例して低下する強度に対して、削減の3乗に比例して車体重量が減るため、車体重量を大幅に下げることが可能になる。 Further, since the loading amount of the secondary battery is reduced, the vehicle body structure can be reduced in size. As a result, the weight of the vehicle body decreases in proportion to the third power of the reduction against the strength that decreases in proportion to the square of the reduction amount of the structural material to be used, so that the vehicle body weight can be significantly reduced.
電池および車体構造の双方の大幅な重量削減により、車体走行時の転がり抵抗が減り、走行に必要な電力量が重量低減に比例して減少し、エネルギー利用効率を改善することができる。 By significantly reducing the weight of both the battery and the vehicle body structure, the rolling resistance during vehicle body travel is reduced, and the amount of power required for travel is reduced in proportion to the weight reduction, thereby improving energy utilization efficiency.
発電機のエンジンを定格出力の最適燃費効率条件で使用する時間が長いため、エネルギー利用効率を向上させることができる。 Energy use efficiency can be improved because the generator engine is used for a long time under the optimum fuel efficiency condition of the rated output.
走行負荷の変動による大きな電圧変動を担うのはコンデンサであり、コンデンサは二次電池に比べて電圧変動による劣化が僅かである。二次電池を小型化しても大きな電圧変動条件での使用が減り、二次電池の寿命を延ばすことができる。 Capacitors are responsible for large voltage fluctuations due to fluctuations in the running load, and capacitors are less susceptible to deterioration due to voltage fluctuations than secondary batteries. Even if the secondary battery is downsized, the use under a large voltage fluctuation condition is reduced, and the life of the secondary battery can be extended.
コンデンサの利用効率を高めて供給する電荷量を増やすため、コンデンサと二次電池の電圧差を大きく設定する。コンデンサの動作時の最大電圧を二次電池の定格電圧の2〜5倍にするため、従来のPWM方式では二次電池に耐圧を大幅に超える電圧がパルスごとに印加され二次電池を劣化させる。本方式ではチョークコイルで過電圧を吸収して二次電池に過電圧が印加されること無く、コンデンサとの電圧差による電荷で十分な瞬時電力をモーターに供給することができる。 The voltage difference between the capacitor and the secondary battery is set large in order to increase the amount of charge to be supplied by increasing the use efficiency of the capacitor. In order to make the maximum voltage at the time of operation of the capacitor 2 to 5 times the rated voltage of the secondary battery, in the conventional PWM method, a voltage that significantly exceeds the withstand voltage is applied to the secondary battery every pulse and the secondary battery is deteriorated. . In this method, the overvoltage is absorbed by the choke coil and the overvoltage is not applied to the secondary battery, and sufficient instantaneous power can be supplied to the motor by the electric charge due to the voltage difference with the capacitor.
本発明の別の実施形態に従うDC−DCコンバータの制御方法は、都市部での頻繁な停車時での発電電力、あるいは山間部の低速運転時の余剰発電電力を使って、コンデンサと二次電池を充電することを特徴とする。 According to another embodiment of the present invention, a method for controlling a DC-DC converter includes a capacitor and a secondary battery using generated power during frequent stopping in urban areas or surplus generated power during low-speed operation in mountainous areas. It is characterized by charging.
(図示された実施形態の説明)
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。複数の実施形態で、類似の要素又は類似の機能を果たす要素に対しては、同一の参照符号を付与し、重複した説明を省略する。
(Description of illustrated embodiment)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In a plurality of embodiments, similar elements or elements performing similar functions are given the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted.
(第一実施形態)
図1は、本発明が搭載されるエンジン発電機を電源とするモーター駆動小型自動車の概略図である。図1に示されているモーター駆動小型自動車は、例えば、ガソリン燃料によって駆動されるエンジン発電機、モーター、及び2次電池を搭載している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram of a motor-driven small automobile that uses an engine generator on which the present invention is mounted as a power source. The motor-driven small automobile shown in FIG. 1 includes, for example, an engine generator driven by gasoline fuel, a motor, and a secondary battery.
図2は、本発明に従うモーター駆動小型自動車の走行時のコンデンサ、二次電池の電力制御関係の図で、走行時の電力供給量を示す。図2では、左より、停止時はコンデンサと二次電池は満充電で、発電機出力は最低である。急加速時はコンデンサが瞬時電力の大部分を供給し緩い加速では発電する電力が加速に要する電力を上回るため、まずコンデンサに充電する。定速走行の巡航速度時はコンデンサと二次電池を充電後は発電量を減らす。再度の加速でもコンデンサの電力をまず使い、二次電池の電力消費は少ない。低速運転ではさらに発電機出力を低下させる。 FIG. 2 is a diagram of the power control relationship between the capacitor and the secondary battery during travel of the motor-driven small automobile according to the present invention, and shows the power supply amount during travel. In FIG. 2, from the left, when stopped, the capacitor and secondary battery are fully charged and the generator output is the lowest. During rapid acceleration, the capacitor supplies most of the instantaneous power, and during slow acceleration, the generated power exceeds the power required for acceleration, so the capacitor is charged first. Reduce power generation after charging capacitor and secondary battery at constant speed cruise speed. Even in the second acceleration, the capacitor power is used first, and the secondary battery consumes less power. At low speed operation, the generator output is further reduced.
図3は、エンジンを発電機駆動専用とした、図1に図示されるモーター駆動の重量250Kg以下の小型自動車において用いられるDC−DCコンバータ回路である。 FIG. 3 shows a DC-DC converter circuit used in a small automobile with a motor drive weight of 250 kg or less shown in FIG.
本実施形態に従うDC−DCコンバータは、整流回路120.副チョークコイル140、副半導体スイッチ160、コンデンサ180、主チョークコイル180、主半導体スイッチ220、二次電池240、並びに副半導体スイッチ160及び主半導体スイッチ220の制御回路1000を含んでいる。チョークコイルのインピーダンス増加による電圧降下は、抵抗による電圧降下と違い電力損失が無い。二次電池240の端子は、例えば、モーター500を駆動する電力回路260に接続される。スイッチをオープンにした際にチョークコイルに発生する逆電圧によりスイッチあるいは二次電池に過電圧が印加されることを防ぐため、ダイオード210のアノードを二次電池側にしてチョークコイルに並列に配置する。
The DC-DC converter according to the present embodiment includes a
整流回路120の負極出力と大容量コンデンサ180の負極と二次電池240とモーター500の負極を直結してアース母線を形成する。
The negative output of the
整流回路120の端子Aに、副チョークコイル140を介して副半導体スイッチ160を接続し、スイッチ160の出力を大容量コンデンサ180の一端に接続する。大容量コンデンサ180とは、例えば、耐圧3.8V、500ファラッドの電気二重層コンデンサを38個直列に端子の正負を同一方向にそろえて結合したもので、合成容量は13.2ファラッドとなる。
The
副半導体スイッチ160は、サイリスタ、npn型パワートランジスタ、IGBTのいずれかを使用し、サイリスタのアノード、パワートランジスタあるいはIGBTのコレクタを副チョークコイル140に接続し、サイリスタのカソード、パワートランジスタあるいはIGBTのエミッタをコンデンサ180の端子に接続し、サイリスタとIGBTのゲートあるいはパワートランジスタのベースを制御用のマイクロコンピュータ1010の出力端子に接続する。
The
副半導体スイッチ160の制御方式は整流回路120の出力端子の電圧VAとコンデンサ180の端子電圧VCを比較しVA>VCの時スイッチをオンとする。VA≦VCの時で充電電流がゼロの時にスイッチをオフとすることで、チョークコイル140に逆起電力を生じること無くスイッチのオフが行われ、エネルギーロスが無くなる。
The control method of the
副半導体スイッチ回路160の制御は、マイクロコンピュータ1010を用いたディジタル方式とする。
The sub
整流回路120の端子電圧A、CをマイクロコンピュータのADコンバータ入力端子にそれぞれ接続する。電流検知回路は、コンデンサから二次電池への配線の周囲に導線を数回巻き、導線の両端をOPアンプ回路のプラスおよびマイナス入力端子に接続し、マイナス入力端子と出力端子の間を抵抗素子で結合して負帰還回路を構成し、電流値を検出する。この出力電圧をマイクロコンピュータ1010のADコンバータ端子に入力する。
Terminal voltages A and C of the
初期状態として、半導体スイッチ160への出力はコンデンサ180の端子電圧VCと同じのゼロの状態とする。AC間の電圧を比較し、VA>VCになった時に、マイクロコンピュータ1010から半導体スイッチ160への出力端子をVCに対して正の電圧として半導体スイッチをオンとする。電流値が正の間はこの状態を維持し、電流値がゼロになった時に出力端子をオフの出力とする。これで初期状態に復帰して、再びAC間の電圧を比較する。
As an initial state, the output to the
コンデンサ180の端子を、主チョークコイル200を介して主半導体スイッチ220に接続する。
The terminal of the
主半導体スイッチ回路220の制御は、マイクロコンピュータ1020を用いたディジタル方式とする。
The main
主半導体スイッチ220は、npn型パワートランジスタ、GTO、IGBTのいずれかを使用し、GTOのアノード、パワートランジスタあるいはIGBTのコレクタを主チョークコイル200に接続し、GTOのカソード、パワートランジスタあるいはIGBTのエミッタを二次電池240のプラス端子に接続し、GTOとIGBTのゲートあるいはパワートランジスタのベースを制御用のマイクロコンピュータ1020の出力端子に接続する。
The
主チョークコイル200は主半導体スイッチ220で電流をオンオフすることで、二次電池240に過大な充電電流が流れ込まぬように制限し、モーター制御回路260に過電圧が印加されることを防ぐ。
The
主半導体スイッチ220を制御するマイクロコンピュータ1020は、モーター制御回路260が必要とする電力量PMをアクセル信号1030から受け、二次電池240の端子の電圧値で電力量を割り算して電流量IMを定める。
コンデンサ180の端子の電圧と、二次電池240の端子の電圧差を、主のチョークコイル200の電圧降下で負担して二次電池240のB端の電圧が定格電圧の1.4倍となるように、半導体スイッチ回路220のオンオフの周波数を定める。
The voltage difference between the terminal of the
尚、本実施形態に従うDC−DCコンバータは副スイッチ160及び主スイッチ220を含むが、これら両方のスイッチ又はいずれかのスイッチは省略されても良い。
The DC-DC converter according to the present embodiment includes the
(第二実施形態)
図7は、エンジンを発電機駆動専用とした、図1に図示されるモーター駆動の重量250Kg以下の小型自動車において用いられるDC−DCコンバータ回路である。
(Second embodiment)
FIG. 7 shows a DC-DC converter circuit used in a small vehicle having a motor drive weight of 250 kg or less shown in FIG.
副スイッチ160の制御回路はマイクロコンピュータ1010を用いたディジタル方式とする。回路主スイッチ回路220の制御回路は、マイクロコンピュータ1020を用いたディジタル方式とする。
The control circuit of the
端子A、C、Bをマイクロコンピュータ1010と1020のADコンバータの入力端子に接続する。電気自動車のアクセルの信号をADコンバータの入力端子に接続する。電流検知回路は、コンデンサから二次電池への配線の周囲に導線を数回巻き、導線の両端をOPアンプ回路のプラスおよびマイナス入力端子に接続し、マイナス入力端子と出力端子の間を抵抗素子で結合して負帰還回路を構成し、電流値を検出する。この出力電圧をそれぞれのマイクロコンピュータのADコンバータ端子に入力する。
Terminals A, C, and B are connected to input terminals of AD converters of
副の半導体スイッチ回路160は、マイクロコンピュータ1010のサンプリング周波数を0.05ms以上として、整流器120の出力端子とコンデンサ180の端子の電圧および、整流器120の出力端子とコンデンサ180の端子の間を接続する配線の電流を監視して、スイッチングのタイミングを決定する。
The sub
主の半導体スイッチ220の制御回路は、マイクロコンピュータ1020のモーター駆動電力、各端子電圧情報の取り込みを、10msごとに行い周波数決定までの計算時間を1ms以内に行い、発電機の交流電源の各半波ごとに制御条件の更新を行い、主半導体スイッチ220の制御周波数を決定する。
The control circuit of the
発電機400の交流出力を両波整流回路120に接続し、副の半導体スイッチ回路160を経て、直流脈流電力で電気2重層型などの大容量コンデンサ180を充電する。整流回路120とコンデンサ180と二次電池240とモーター500の負極端子を直結して、いわゆる負アースとする。
The AC output of the
出力電圧100V、出力電力900Wのエンジン駆動発電機の出力を、耐圧566V以上、最大電流1000A以上のダイオードで構成した両波整流回路120に接続する。整流回路120の陽極端子から1〜10ミリヘンリーの副チョークコイル140を介して、整流回路120の出力を取り出す。50Hzの交流の場合、チョークコイル140のインピーダンスは0.312〜3.12Ωとなる。これにより、整流回路120の負荷となる大容量コンデンサ180の端子電圧がゼロの場合でも、整流回路120に流れる瞬時最大電流は452A〜45.2Aとなる。実効電流は320A〜32.0Aとなり、この際10ミリヘンリーとすれば、整流回路の過電流を防ぐことが出来る。
The output of the engine-driven generator with an output voltage of 100 V and an output power of 900 W is connected to a double-
コンデンサ180の端子の電圧が141Vの時、二次電池240の端子の定格電圧48Vまでの電圧差93Vと容量13.2ファラッドのコンデンサ180に蓄積されている電荷量は1228クーロンであり、コンデンサ180だけで最大電力4KWのモーターに48V、83Aの電力を14.8秒間供給できる。これに900Wの発電機の電力を加えれば19秒間の最大加速が可能となり、このコンデンサと発電機で小型電気自動車はエンジン付きの普通自動車と伍して走行することが可能となる。二次電池240は、連続の急な上り坂などのための緊急用電力源と位置づけることが出来る。
When the voltage at the terminal of the
急加速のよる電力消費で48Vまで低下したコンデンサの端子電圧を再び充電して141Vへの回復は、停車あるいは低速運転時に発電機に生じる余剰電力で行なう。 The terminal voltage of the capacitor, which has been reduced to 48V due to power consumption due to rapid acceleration, is charged again to 141V by surplus power generated in the generator when the vehicle stops or operates at low speed.
コンデンサ180の端子電圧VCと二次電池240の端子電圧VBとの差をVBCとして、モーターへの供給電力PMをVBで割り供給電流IMとする。チョークコイルの値をLヘンリーとすれば、半導体スイッチ回路1020の周波数は、
f = VBC/(2π・IM・L)
となる。直流電源をスイッチで電流をオンオフするため、実効値は1/2であるため、2倍の電流を供給するためには周波数fは1/2の周波数とする。
The difference between the terminal voltage V C of the
f = V BC / (2π · I M · L)
It becomes. Since the DC power supply is switched on and off with a switch, the effective value is ½. Therefore, in order to supply twice the current, the frequency f is ½.
モーターが定格電力以上で稼働中であれば、VBを二次電池の定格電圧の1.4倍として、主チョークコイルの電圧効果を減らして予め二次電池へ電荷を蓄え、大電力の消費に備える。 If the motor is operating at the rated power or higher, V B is set to 1.4 times the rated voltage of the secondary battery, the voltage effect of the main choke coil is reduced, the charge is stored in the secondary battery in advance, and large power is consumed. Prepare for.
二次電池180の過充電を防ぐため、モーターが定格電圧以下で動作中にVBが定格電圧の1.4倍以上であれば、二次電池は満充電であるとする。この時にPMが10W以下であればスイッチ220はオンとしない。
In order to prevent overcharging of the
モーターの消費する電力がモーターの最大電力に近く、コンデンサに蓄積された電荷量が減少してVCがVB近くまで減ったときは、主半導体スイッチ220の制御は、周波数を減少させず、半導体スイッチのオンしている時間幅を伸ばす、いわゆるPWM制御方式に移行させ、チョークコイルが持つ電流維持の機能を使い、モーターへの電力供給を円滑にすることもできる。
When the power consumed by the motor is close to the maximum power of the motor and the amount of charge stored in the capacitor decreases and V C decreases to near V B , the control of the
二次電池240の充電を駐車中はエンジン発電機を使用すること無く行えるように、外部の交流100V電源からいわゆる家庭用コンセントで充電する端子を発電機の出力部に設ける。
In order to charge the
家庭用コンセントからコンデンサ180と二次電池240を充電する場合は、アクセル信号PM値をエンジン発電機の定格出力電力として設定し、二次電池へ急速充電を行なう。VBが二次電池の定格電圧の1.4倍を越える時は、PMの値を1/2として供給電流を減らす。これを繰り返して、IAが定格出力電流の5%以下になった時に主スイッチをオフとして充電を終了する。
If the household electrical outlet to charge the
本願発明の主および副の、チョークコイルと半導体スイッチを配置する順序はいずれの素子が先でも、効果に変わりはない。 The order of disposing the main and sub choke coils and semiconductor switches of the present invention is the same regardless of which element is first.
(作用効果)
高電圧キャパシタを使った無損失電力供給系の発明により、電気自動車の価格と重量を押し上げる原因となるリチウムイオン等の二次電池を、従来の小型電気自動車の10分の1以下の価格の鉛二次電池で代用できる。
(Function and effect)
With the invention of the lossless power supply system using high voltage capacitors, secondary batteries such as lithium-ion, which cause the price and weight of electric vehicles to increase, can be reduced to less than one-tenth the price of conventional small electric vehicles. A secondary battery can be substituted.
大容量コンデンサに要する重量増加は無視でき、コンデンサ使用によるコスト上昇は電池コスト削減分に比較すれば非常に小さい。 The increase in weight required for a large-capacity capacitor is negligible, and the increase in cost due to the use of the capacitor is very small compared to the reduction in battery cost.
二次電池の積載量が少なくなるため、車体強度を下げ小型化できる。この結果、使用する構造材料の削減量の2乗に比例して低下する強度に対して、削減の3乗に比例して車体重量が減るため、重量を大幅に下げることが可能になる。 Since the load capacity of the secondary battery is reduced, the vehicle body strength can be reduced and the size can be reduced. As a result, the weight of the vehicle body decreases in proportion to the cube of the reduction, whereas the strength decreases in proportion to the square of the reduction amount of the structural material to be used. Therefore, the weight can be significantly reduced.
電池および車体構造の双方の大幅な重量削減により、車体走行時の転がり抵抗が減り、走行に必要な電力量が重量低減に比例して減少し、エネルギー利用効率も改善される。 The significant weight reduction of both the battery and the vehicle body structure reduces the rolling resistance when the vehicle travels, reduces the amount of power required for travel in proportion to the weight reduction, and improves the energy utilization efficiency.
車体の小型化に伴い、前面投影面積が減少し、空気抵抗が減ることで、速度の2乗に比例して走行抵抗が減少する。 As the vehicle body becomes smaller, the front projection area decreases and the air resistance decreases, so that the running resistance decreases in proportion to the square of the speed.
エンジン発電機を一定負荷の最適燃費効率条件で使用する時間が長いため、エネルギー利用効率が向上する。 Energy use efficiency is improved because the engine generator is used for a long time under the optimal fuel efficiency condition with a constant load.
二次電池量の削減、発電機の小型化と効率的な運用、車体重量の減量化により、都市内や山間地などの環境で用いる場合、エネルギー使用量が減り、材料を含む環境コストが通常の電気自動車や並列型ハイブリッド車より削減される。 When used in environments such as cities and mountainous areas due to reductions in secondary battery volume, generator downsizing and efficient operation, and reduction in body weight, energy consumption is reduced and environmental costs including materials are usually It is reduced from electric cars and parallel hybrid cars.
車載エンジン発電機の発生する電力をコンデンサへ充電して時間的な平準化をおこない、コンデンサに蓄積した電力を制御することでモーターの最適制御が可能になり、出力電力の変動が大きくても発電機の供給できる最大電力を有効に利用することができる。 The electric power generated by the on-board engine generator is charged to the capacitor and leveled over time, and the electric power stored in the capacitor is controlled to enable optimal control of the motor. The maximum power that the machine can supply can be used effectively.
走行負荷の変動による大きな電圧変動を担うのはコンデンサであり、コンデンサは二次電池に比べて電圧変動による劣化が僅かである。二次電池を小型化しても大きな電圧変動条件での使用が減り、二次電池の寿命が延びる。 Capacitors are responsible for large voltage fluctuations due to fluctuations in the running load, and capacitors are less susceptible to deterioration due to voltage fluctuations than secondary batteries. Even if the secondary battery is reduced in size, use under a large voltage fluctuation condition is reduced, and the life of the secondary battery is extended.
従来の小型電気自動車が4時間程度の使用で充電を必要としたのに対して、小型のエンジン発電機を使用することで、充電の必要が無くなる。 Whereas a conventional small electric vehicle requires charging after being used for about 4 hours, the use of a small engine generator eliminates the need for charging.
軽量化により、電気自動車の車体に高価な材料や、高度な製造技術が不要となり、ローテク、ローコストの町工場技術で自動車を製造することが可能となる。 The weight reduction eliminates the need for expensive materials and advanced manufacturing techniques for the body of an electric vehicle, and enables automobiles to be manufactured using low-tech and low-cost town factory technology.
Claims (5)
前記コンデンサと並列に接続された二次電池と、
前記コンデンサと前記二次電池の間に直列に接続された主チョークコイル及び主スイッチと、
を含むDC−DCコンバータ。 A capacitor that stores the output from the rectifier circuit that rectifies the output of the AC power supply;
A secondary battery connected in parallel with the capacitor;
A main choke coil and a main switch connected in series between the capacitor and the secondary battery;
A DC-DC converter.
前記整流回路からの出力を蓄電するコンデンサと、
前記コンデンサと並列に接続された二次電池と、
前記整流回路と前記コンデンサの間に直列に接続された副チョークコイル及び副スイッチと、
前記コンデンサと前記二次電池の間に直列に接続された副チョークコイル及び副スイッチと、
を含むDC−DCコンバータの制御方法であって、
前記整流回路の前記出力の電圧と前記コンデンサの端子電圧との電位差と半導体スイッチに流れる電流に基づいて前記副半導体スイッチを制御するステップ、
前記コンデンサの端子電圧と前記二次電池の電位差の関数とてし、前記主半導体スイッチ回路の駆動周波数を変化して主チョークコイルのインピーダンスを制御するステップ、
を含む方法。 A rectifier circuit connected to the power source and rectifying the output from the power source;
A capacitor for storing the output from the rectifier circuit;
A secondary battery connected in parallel with the capacitor;
A sub-choke coil and a sub-switch connected in series between the rectifier circuit and the capacitor;
A sub-choke coil and a sub-switch connected in series between the capacitor and the secondary battery;
A method for controlling a DC-DC converter including:
Controlling the sub-semiconductor switch based on a potential difference between the output voltage of the rectifier circuit and a terminal voltage of the capacitor and a current flowing in the semiconductor switch;
Controlling the impedance of the main choke coil by changing the drive frequency of the main semiconductor switch circuit as a function of the terminal voltage of the capacitor and the potential difference of the secondary battery;
Including methods.
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