JP2014121131A - 車両用電源装置及び電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 様々な駆動モータに対して簡易な制御で加速性能を効率良く引き出すことができる車両用電源装置を提供する。
【解決手段】 電動車両の駆動モータに電流を供給する車両用電源装置１であって、駆動モータ２の連続定格出力をおよそ可能とする二次電池３と、該二次電池３に並列に接続され且つ駆動モータ２の最大出力を可能とするキャパシタ５と、二次電池３及びキャパシタ５の電流の供給を制御する制御手段８とを備え、制御手段８は、車両速度検出手段１１によって検出される車両速度が、連続定格出力時におけるアクセル開度と安定速度との関係を示すマップを用いて、アクセル開度検出手段１０によって検出されるアクセル開度から計算した安定速度に所定時間ｔを経過しても到達しない場合に、二次電池３から駆動モータ２への電流の供給を二次電池３及びキャパシタ５の双方から駆動モータ２へ電流を供給するよう切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動車両に搭載された駆動モータに電流を供給する車両用電源装置及びこの車両用電源装置を搭載した電動車両に関する。

近年、環境問題等の観点から従来のエンジン自動車に代わって電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）が注目されている。電気自動車は、エンジン自動車のエンジンの代わりに動力源として電動モータを用いており、この電動モータを駆動させるためのエネルギー（電力）源としてバッテリー等を搭載している。

特に市販自動車を改造した電気自動車では、これまで電動モータに電流を供給するための電源装置として、例えば、鉛蓄電池等の二次電池が利用されてきた。しかしながら、鉛蓄電池等の二次電池は、パワー（出力）密度が小さいため、高出力の電動モータを搭載した場合にもその能力を十分発揮させることができず、優れた加速性能を得ることができなかった。また、このようなパワー密度の小さな二次電池を用いて十分な加速性能を得るためには、多数の二次電池を直列接続する必要があるので、総重量が大きくなるとともに設置スペースを広く確保する必要がある。

一方で、電気自動車の電動モータに電流を供給するために、パワー密度の大きいキャパシタを用いたものがある。しかしながら、キャパシタは、エネルギー密度が小さいため、１回の充電での走行距離が短くなる。そこで、駆動モータに電力を供給する二次電池とキャパシタを並列に接続し、車両の速度、加速度、運転者のアクセル踏み込み量に基づく加減速要求によって電力の供給の仕方を制御する電源装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１の電源装置では、車両の速度、加速度、運転者のアクセル踏み込み量に基づく加減速要求によって要求入出力電力を計算し、この要求入出力電力が二次電池の放電可能電力より大きい場合には、二次電池及びキャパシタからモータジェネレータに電力を供給し、要求入出力電力とキャパシタの充電電力が二次電池の放電可能電力より小さい場合には、電動車両の駆動とキャパシタへの充電電力を二次電池からの放電によって行うよう制御している。これにより、高容量且つ高出力で寿命の長い電源装置を実現している。

特開２０１１−１９９９３４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電源装置は、動力源である駆動モータの性能を考慮したものではないため、駆動モータの性能を効率良く引き出せない恐れがある。また、様々な駆動モータに応じて適用させることが困難であると共に、制御も複雑であるため、コンバートＥＶのようにどのような駆動モータを搭載するか明確でない電動車両に用いることは難しいという問題がある。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、様々な駆動モータに対して簡易な制御で加速性能を効率良く引き出すことができる車両用電源装置及び電動車両を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の車両用電源装置は、電動車両を駆動する駆動モータに電流を供給する車両用電源装置であって、前記駆動モータの連続定格出力を可能とする容量を有する二次電池と、該二次電池に並列に接続され、且つ前記駆動モータの最大出力を可能とする容量を有するキャパシタと、前記二次電池及び前記キャパシタの電流の供給を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記電動車両の速度を検出する車両速度検出手段によって検出される車両速度が、連続定格出力時におけるアクセル開度と安定速度との関係を示すマップを用いて、前記電動車両の運転者のアクセル操作に伴うアクセル開度を検出するアクセル開度検出手段によって検出されるアクセル開度から計算した安定速度に所定時間ｔを経過しても到達しない場合に、前記二次電池から前記駆動モータへの電流の供給を前記二次電池及び前記キャパシタの双方から前記駆動モータへ電流を供給するよう切り替えることを特徴としている。

請求項２に記載の車両用電源装置は、前記二次電池と前記キャパシタの電圧が同程度であることを特徴としている。

請求項３に記載の車両用電源装置は、前記キャパシタのスイッチングをソリッドステートリレー（ＳＳＲ）で行うことを特徴としている。

請求項４に記載の車両用電源装置では、前記制御手段は、前記所定時間ｔを次式（１）によって算出し、
前記所定時間ｔが予め定められた所定値β以下で且つ前記車両速度検出手段によって検出される車両速度が、前記マップを用いて、前記アクセル開度検出手段によって検出されるアクセル開度から計算した安定速度に前記所定時間ｔを経過しても到達しない場合、及び前記所定時間ｔが前記所定値βより大きい場合に、前記二次電池から前記駆動モータへの電流の供給を前記二次電池及び前記キャパシタの双方から前記駆動モータへ電流を供給するよう切り替えることを特徴としている。
ｔ＝Ｔ_ｎ×ΔＡ×α…（１）
但し、
ΔＡ：前記アクセル開度検出手段によって検出されたアクセル開度の変化量（Ａ_ｎ−Ａ_ｎ−１≦１）
Ｔ_ｎ：アクセル開度Ａ_ｎ時の安定速度に達するまでに要する飽和時間
α：感度係数（α＞０）

請求項５に記載のコンバートＥＶは、請求項１から４のいずれかに記載の車両用電源装置を搭載したことを特徴としている。コンバートＥＶとは、車両のエンジンに代えて該車両を駆動させるために駆動モータを取り付けた電動車両のことである。

請求項６に記載の小型ＥＶは、請求項１から４のいずれかに記載の車両用電源装置を搭載したことを特徴としている。小型ＥＶとは、１人又は２人乗りの小型の電動車両のことである。

本発明の車両用電源装置によれば、駆動モータへの電流の供給の仕方を切り替えるための制御を連続定格出力時におけるアクセル開度と安定速度との関係を示すマップを用いて行うので、簡易な制御で駆動モータの加速性能を効率良く引き出すことができる。また、本発明の車両用電源装置では、車両速度が、前記マップを用いて、アクセル開度から計算された安定速度に所定時間ｔを経過しても到達しない場合に、二次電池及びキャパシタの双方向から駆動モータへ電流を供給するよう制御されるので、無駄な加速を抑制しつつ加速性能を向上ことができる。また、制御に用いるマップは、電動車両に搭載される駆動モータに応じて簡単な走行実験により作成することができるので、コンバートＥＶのようにどのような駆動モータを搭載するか明確でない電動車両にも好適に適用することができる。

本発明の車両用電源装置によれば、二次電池とキャパシタの電圧が同程度で、キャパシタのスイッチングをソリッドステートリレー（ＳＳＲ）で行うので、小型・軽量化を図ることができる。従って、小型ＥＶ等のコンパクトな電動車両にも好適に用いることができる。

本発明の車両用電源装置によれば、所定時間ｔをアクセル開度検出手段によって検出されたアクセル開度の変化量とアクセル開度検出手段によって検出されたアクセル開度における安定速度に達するまでに要する飽和時間との積に感度係数αを乗じて算出しているので、容易に所定時間ｔを求めることができると共に、感度係数αを調節することで容易に目的に応じた加速性能を実現することができる。また、所定時間ｔが所定値βより大きくなった場合には、二次電池及びキャパシタの双方から駆動モータへ電流を供給するよう制御するので、急加速時のようにアクセル開度の変化量が大きく所定時間ｔの値が大きくなった場合でも、駆動モータへ二次電池及びキャパシタの双方から適切に電流の供給が行われるため、所定時間ｔの間、駆動モータへの電流の供給が不足することを抑制し、加速性能を向上させることができる。

本発明のコンバートＥＶによれば、上記車両用電源装置を搭載するので、どのような駆動モータを用いた場合でも、簡易な制御でその駆動モータの加速性能を効率良く引き出すことができる。

本発明の小型ＥＶによれば、上記車両用電源装置を搭載するので、小型・軽量化を図ることができるとともに、加速性能を向上させることができる。

本発明の実施形態における車両用電源装置の構成の一例を示す概略ブロック図である。 連続定格出力時におけるアクセル開度と安定速度との関係を示すマップの一例について説明するための概略説明図である。 本発明の実施形態における車両用電源装置の加速時の動作の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態に係る車両用電源装置１について、図面を参照しつつ説明する。この車両用電源装置１は、例えば、電気自動車のような駆動モータ２を駆動源とする電動車両に搭載されるものであって、駆動モータ２への電力の供給を行うためのものである。

車両用電源装置１は、図１に示すように、駆動モータ２の連続定格出力をおよそ可能とする容量を有する二次電池３と、該二次電池３とメインスイッチ４を介して並列に接続され、且つ駆動モータ２の最大出力を可能とする容量を有するキャパシタ５と、二次電池３及びキャパシタ５から供給される直流電流を交流電流に変換して駆動モータ２へ供給するためのインバータが搭載されたモータコントローラ６と、ソリッドステートリレー（SSR）７をオンオフ制御させてキャパシタ５からモータコントローラ６を介して駆動モータ２へと供給する電流を制御する制御部（制御手段）８等を備えている。

車両用電源装置１には、詳しくは図示しないが、二次電池３の出力側に該二次電池３の出力電圧を検出する電圧センサが設けられ、プラス側である出力線３１には出力電流を検出する電流センサが設けられている。また、キャパシタ５の出力側にも同様に該キャパシタ５の出力電圧を検出する電圧センサが設けられ、プラス側である出力線５１には出力電流を検出する電流センサが設けられている。また、二次電池３及びキャパシタ５には、それぞれの温度を検出するための温度センサ等の各種センサがそれぞれ適宜設けられている。

車両用電源装置１が搭載される電動車両は、図１に示すように、電動車両の運転者によって運転席に設けられているアクセル９が踏み込まれた際のアクセル開度を検出するアクセル開度センサ（アクセル開度検出手段）１０と、電動車両の速度を検出するための車速センサ（車両速度検出手段）１１等を備えている。

二次電池３は、駆動モータ２が連続的に出力可能な連続定格出力を可能とする容量を有している。この二次電池３は、単位電極面積当たりの容量が大きい高容量密度型の二次電池であり、例えば、鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池、又はニッケル水素電池等が用いられる。また、詳しくは図示しないが、この二次電池３には、外部電源に接続して該二次電池３を充電するためのプラグが取り付けられている。

キャパシタ５は、駆動モータ２の電流の供給を補助するためのものであって、駆動モータ２の最大出力を可能とする容量を有している。キャパシタ５と二次電池３は、メインスイッチ４を介して並列に接続されており、車両用電源装置１では、キャパシタ５及び二次電池３の双方から駆動モータ２へ電流を供給できるように構成されている。キャパシタ５のマイナス側の出力線５２と二次電池３のマイナス側の出力線３２は、図１に示すように、それぞれメインスイッチ４に接続されている。また、二次電池３のプラス側の出力線３１は、メインスイッチ４に接続されており、キャパシタ５のプラス側の出力線５１は、ソリッドステートリレー７を介してメインスイッチ４に接続されている。

本実施形態におけるキャパシタ５の電圧は、二次電池３の電圧と同程度である。また、図１に示すように、キャパシタ５のスイッチングは、ソリッドステートリレー７によって行っているので、二次電池３と同程度の電圧のキャパシタ５を用いることができる。このように、車両用電源装置１では、キャパシタ５から駆動モータ２への電流供給のオンオフを昇圧コンバータの代わりにソリッドステートリレー７を用いて行うので、車両用電源装置１の小型・軽量化を図ることができる。

制御部８は、二次電池３及びキャパシタ５から駆動モータ２への電流の供給等を制御するためのものであって、例えば、内部に信号処理を行うCPUと、後述する制御を行うためのプログラムや各種データ等を予め格納するメモリ（記憶部）等を備えるマイクロコンピュータとして構成されている。制御部８は、図１に示すように、駆動モータ２の駆動を制御するためのモータコントローラ６及びキャパシタ５のスイッチングを行うソリッドステートリレー７に接続されている。また、制御部８は、アクセル開度センサ１０や車速センサ１１等のセンサに接続されており、アクセル開度センサ１０によって検出されるアクセル開度や車速センサ１１によって検出される車両速度等の信号が入力されるよう構成されている。制御部８では、受信した信号に基づいて、後述する演算を実行して制御信号を生成し、制御信号をソリッドステートリレー７へと送信して、オンオフ制御を行うことにより、キャパシタ５からモータコントローラ６を介して駆動モータ２へと供給する電流を制御する。

制御部８のメモリには、図２に示すように、駆動モータ２の連続定格出力時におけるアクセル開度Aと安定速度V（A）との関係を示すマップが記憶されている。このマップは、制御部８が、二次電池３及びキャパシタ５から駆動モータ２への電流の供給の制御に用いるためのものであって、図２に示すように、例えば表として作成され、第１列目には各アクセル開度A、第２列目には各アクセル開度A時の安定速度V（A）が記憶されている。また、このマップでは、第３列目には車両速度ｖ、第４列目にはアクセル開度Aが検出された際の車両速度がｖの時にこの車両速度ｖからアクセル開度Aに対応する安定速度V（A）に到達するまでの安定速度到達時間（飽和時間）Tが記憶されている。

従って、図２の（ａ）に示す行は、アクセル開度センサ１０によって検出されたアクセル開度Ａは２０％で、アクセル開度２０％の際の安定速度はＶ（２０）であり、アクセル開度Ａが検出された際に車速センサ１１によって検出された車速ｖ＝０（ｋｍ／ｈ）の場合には、安定速度Ｖ（２０）に到達するまでにＴ［０：Ｖ（２０）］（ｓｅｃ）の時間を要するということを表わしている。尚、実際のマップでは、安定速度Ｖ（２０）には、例えば３０［ｋｍ／ｈ］等の数値が記憶され、安定速度到達時間Ｔ［０：Ｖ（２０）］には１．５［ｓｅｃ］等の数値データが記憶されることになる。同様に、図２の（ｂ）に示す行は、アクセル開度Ａは２０％で、アクセル開度２０％の際の安定速度はＶ（２０）であり、アクセル開度Ａが検出された際に車速センサ１１によって検出された車速ｖ＝４（ｋｍ／ｈ）の場合には、安定速度Ｖ（２０）に到達するまでにＴ［４：Ｖ（２０）］（ｓｅｃ）の時間を要するということを表わしており、車両速度ｖと安定速度Ｖ（２０）との差が小さい程、安定速度到達時間Ｔは短くなるので、Ｔ［４：Ｖ（２０）］は、Ｔ［０：Ｖ（２０）］よりも短くなる。また、図２の（ｃ）に示す行のように、既に車両速度ｖ＝安定速度Ｖ（２０）の場合には安定速度到達時間Ｔ＝０［ｓｅｃ］となる。尚、図２に示すマップでは、アクセル開度Aを１０％毎に増加させた場合のデータの例を示しているが、アクセル開度Aを更に細かく設定して記憶させておいても良い。また、車両速度ｖは２［ｋｍ／ｈ］毎に設定している例を示しているが、この間隔を更に細かく又は粗く設定するようにしても良い。

このようなマップは、駆動モータ２を搭載した電動車両で予め走行実験を行うことにより作成される。走行実験は、例えば、平坦な道路で乗員として平均的な体型の男性運転手１人、積載なしの条件等で行われる。マップの作成にあたっては、予め上記のように決められた条件の下、アクセル開度Ａ毎の連続定格出力時の安定速度（飽和速度）を測定する。これにより、駆動モータ２の連続定格出力時におけるアクセル開度Ａと安定速度Ｖ（Ａ）との関係がわかるので、マップの第１列目と第２列目を作成することができる。また、図２に示すマップの第３列目と第４列目については、一定の車両速度ｖで走行した状態からアクセル開度Ａまでアクセル９を踏み込み、そのアクセル開度Ａ時の安定速度Ｖ（Ａ）に要する時間をそれぞれ計測することによって作成する。従って、電動車両にどのような駆動モータ２を搭載する場合でも、簡単な走行実験によって、搭載する駆動モータ２の性能を考慮したマップを容易に作成することができる。尚、走行実験の条件は、上記の条件に限定されるものではなく、車種や想定されるユーザのニーズに合わせて変更しても良い。また、図２では、マップを表として示しているが、マップはこれに限定されるものではなく、少なくともアクセル開度Aに対応する安定速度V（A）が示されているものであれば良い。

以下、制御部８が、図２に示すマップを用いて、加速時に二次電池３及びキャパシタ５から駆動モータ２への電流の供給の制御を行う際の車両用電源装置１の動作について図３のフローチャートを用いながら説明する。

車両用電源装置１を搭載する電動車両は、図３のステップＳ１０１に示すように、通常の走行時には、二次電池３を使用して走行している。また、制御部８には、アクセル開度センサ１０及び車速センサ１１によって、それぞれ検出されたアクセル開度Ａ_ｎ及び車両速度ｖ_ｎの信号が入力される（Ｓ１０２）。尚、添え字のｎは時系列の番号を表わしており、アクセル開度Ａ及び車両速度ｖを検出するサンプリングタイムは、例えば、０．１〜０．０１（ｓｅｃ）の間で設定されている。

次に、制御部８は、図２に示すマップを用いて、入力されたアクセル開度Ａ_ｎからこのアクセル開度Ａｎ時の安定速度Ｖ（Ａ_ｎ）を算出すると共に、入力された車両速度ｖ_ｎから安定速度Ｖ（Ａ_ｎ）に到達するまでに要する飽和時間（安定速度到達時間）Ｔ_ｎを算出する（Ｓ１０３）。

そして、制御部８では、Ｓ１０３で算出された飽和時間Ｔ_ｎから下記数式（１）を用いて所定時間ｔを算出する（Ｓ１０４）。数式（１）のΔＡは、アクセル開度の変化量を表わしており、アクセル開度センサ１０で検出されたアクセル開度Ａ_ｎと１つ前に検出されたＡ_ｎ−１から計算される。αは感度係数を表わしており、このαは要求される加速性能に応じて適宜調整されるものであり、例えば、駆動モータ２の即応性を上げる場合には、αの値は小さく（例えば、１未満に）設定され、ゆっくりと加速させる場合には、αの値は大きく設定される。

次に、制御部８では、Ｓ１０４で算出された所定時間ｔが所定値βよりも大きいか否か判断する（Ｓ１０５）。所定値βは、要求される加速性能に応じて予め設定されてメモリに記憶されており、急加速時のようにアクセル開度の変化量ΔＡが大きくなることにより所定時間ｔの値が大きくなった場合に、所定時間ｔの間、駆動モータ２への電流の供給が不足することを抑制するために設定されている。

従って、制御部８では、所定時間ｔが所定値βよりも大きいと判断した場合（Ｓ１０５：ＹＥＳ）には、二次電池３から駆動モータ２への電流の供給を二次電池３及びキャパシタ５の双方から駆動モータ２へ電流を供給するよう切り替えるよう制御する（Ｓ１０６）。ここでは、制御部８は、ソリッドステートリレー７をオン制御させてキャパシタ５からもモータコントローラ６を介して駆動モータ２へ電流を供給するよう制御している。

また、制御部８は、所定時間ｔが所定値β以下であると判断した場合（Ｓ１０５：ＮＯ）には、車速センサ１１によって検出される所定時間ｔ経過後の車両速度ｖ’が安定速度Ｖ（Ａ_ｎ）に到達したか否かを判断する（Ｓ１０７）。そして、制御部８は、所定時間ｔ経過後の車両速度ｖ’が安定速度Ｖ（Ａ_ｎ）に到達していないと判断した場合（Ｓ１０７：ＮＯ）には、加速性の要求が満たされていないと判断し、二次電池３から駆動モータ２への電流の供給を二次電池３及びキャパシタ５の双方から駆動モータ２へ電流を供給するよう切り替えるよう制御する（Ｓ１０６）。制御部８が、所定時間ｔ経過後の車両速度ｖ’が安定速度Ｖ（Ａ_ｎ）に到達していると判断した場合（Ｓ１０７：ＹＥＳ）には、駆動モータ２への電流の供給の仕方は切り替えられることなく、そのまま二次電池３から駆動モータ２への電流の供給が行われる（Ｓ１０８）。

このように車両用電源装置１では、駆動モータ２への電流の供給の仕方を切り替えるための制御を図２に示すようなマップを用いて行うので、簡易な制御で駆動モータ２の加速性能を効率良く引き出すことができる。また、この制御に用いるマップは、電動車両に搭載される駆動モータ２に応じて簡単な走行実験により作成することができるので、コンバートＥＶのようにどのような駆動モータ２を搭載するか予め決まっていないような電動車両にも好適に適用することができる。また、二次電池３とキャパシタ５の電圧が同程度とし、キャパシタ５のスイッチングをソリッドステートリレー７で行うことにより、小型・軽量化を図ることができるので、小型ＥＶ等のコンパクトな電動車両にも好適に用いることができる。

尚、本発明の実施の形態は上述の形態に限るものではなく、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。

１ 車両用電源装置
２ 駆動モータ
３ 二次電池
５ キャパシタ
７ ソリッドステートリレー（SSR）
８ 制御部（制御手段）
１０ アクセル開度センサ（アクセル開度検出手段）
１１ 車速センサ（車両速度検出手段）

Claims (6)

1. 電動車両を駆動する駆動モータに電流を供給する車両用電源装置であって、
   前記駆動モータの連続定格出力をおよそ可能とする容量を有する二次電池と、
   該二次電池に並列に接続され、且つ前記駆動モータの最大出力を可能とする容量を有するキャパシタと、
   前記二次電池及び前記キャパシタの電流の供給を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記電動車両の速度を検出する車両速度検出手段によって検出される車両速度が、連続定格出力時におけるアクセル開度と安定速度との関係を示すマップを用いて、前記電動車両の運転者のアクセル操作に伴うアクセル開度を検出するアクセル開度検出手段によって検出されるアクセル開度から計算した安定速度に所定時間ｔを経過しても到達しない場合に、前記二次電池から前記駆動モータへの電流の供給を前記二次電池及び前記キャパシタの双方から前記駆動モータへ電流を供給するよう切り替えることを特徴とする車両用電源装置。
2. 前記二次電池と前記キャパシタの電圧が同程度であることを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。
3. 前記キャパシタのスイッチングをソリッドステートリレー（ＳＳＲ）で行うことを特徴とする請求項２に記載の車両用電源装置。
4. 前記制御手段は、前記所定時間ｔを次式（１）によって算出し、
   前記所定時間ｔが予め定められた所定値β以下で且つ前記車両速度検出手段によって検出される車両速度が、前記マップを用いて、前記アクセル開度検出手段によって検出されるアクセル開度から計算した安定速度に前記所定時間ｔを経過しても到達しない場合、及び前記所定時間ｔが前記所定値βより大きい場合に、前記二次電池から前記駆動モータへの電流の供給を前記二次電池及び前記キャパシタの双方から前記駆動モータへ電流を供給するよう切り替えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の車両用電源装置。
   ｔ＝Ｔ_ｎ×ΔＡ×α…（１）
   但し、
   ΔＡ：前記アクセル開度検出手段によって検出されたアクセル開度の変化量（Ａ_ｎ−Ａ_ｎ−１≦１）
   Ｔ_ｎ：アクセル開度Ａ_ｎ時の安定速度に達するまでに要する飽和時間
   α：感度係数（α＞０）
5. 請求項１から４のいずれかに記載の車両用電源装置を搭載したことを特徴とするコンバートＥＶ。
6. 請求項１から４のいずれかに記載の車両用電源装置を搭載したことを特徴とする小型ＥＶ。

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