JP3466513B2 - 電気自動車の電源システム - Google Patents

電気自動車の電源システム

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、蓄電装置に多数の
コンデンサを用いた電気自動車の電源システムの改良に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】電気自動車等に搭載される蓄電装置は、
車両の加速時および定速走行時に放電、制動時に充電を
繰り返すため、蓄電装置として多数のコンデンサ(電気
二重層キャパシタセル)で構成される蓄電装置が着目さ
れている。また、特開平8−168182号公報として
コンデンサを用いた電源装置が提案されている。
【0003】図7はシリーズ式ハイブリッド車に搭載さ
れる蓄電装置にコンデンサを用いた電源システムの公知
の基本構成例を示す。これについて説明すると、エンジ
ン1は発電機2を駆動し、発電機2で発電される電力が
整流器3を介して蓄電装置4に供給されるとともに、イ
ンバータ5を介して走行用モータ6に供給される。図示
しない車輪は走行用モータ6によって駆動される。図に
おいて、8は化学電池で構成される補助蓄電装置、7は
補助蓄電装置8を充電するDC−DCコンバータ、9は
補機である。
【0004】蓄電装置4は、多数のコンデンサ41,4
2,43,…が直列に接続され、従来の化学二次電池を
コンデンサに置き換えたシステムとなっている。
【0005】加速時または定速走行時に、発電機2で発
生した電力の一部または全部が蓄電装置4に充電され、
発電機2で発生した電力と蓄電装置4の電力がインバー
タ5を介して走行用モータ6に供給される。制動時に、
走行用モータ6に発生した制動電力がインバータ5を介
して蓄電装置4に回生される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところで、各コンデン
サ41,42,43,…の静電容量等にバラツキがある
ため、蓄電装置4の充放電を繰り返した場合、各コンデ
ンサ41,42,43,…の一部が過充電されたり、過
放電または逆充電され、これらを劣化させる心配があ
る。この対策として、コンデンサ41,42,43,…
の端子間電圧の範囲を制限すると、端子間電圧の2乗に
比例する静電エネルギが大幅に減ってしまうという問題
点があった。
【0007】本発明は上記の問題点を鑑みてなされたも
のであり、蓄電装置を構成する各コンデンサ間の電位の
バラツキを減らして蓄電電力を最大限に確保する電気自
動車の電源システムを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】第1の発明は、走行用モ
ータに電力を供給する蓄電装置を備え、蓄電装置を複数
のコンデンサによって構成する電気自動車の電源システ
ムに適用する。
【0009】そして、蓄電装置に複数のコンデンサを直
列に介装した複数のコンデンサバンクを並列に介装し、
蓄電装置に流れる電流に応じて各コンデンサバンクのう
ち少なくとも一つを休止させるバンク休止手段と、各コ
ンデンサの電荷を個別に放電させる個別放電回路と、休
止したコンデンサバンクにて各コンデンサの電荷を個別
に放電させて各コンデンサの端子間電圧を均一化する放
電制御手段とを備えるものとした。
【0010】第2の発明は、第1の発明において、コン
デンサバンクは電源回路の間に並列に介装されるコンデ
ンサ直列回路を備え、各コンデンサ直列回路にコンデン
サが直列に介装され、各コンデンサ直列回路の同一直列
段に配置される各コンデンサが並列に介装されるコンデ
ンサ並列回路を備え、個別放電回路は各コンデンサ並列
回路の電荷を個別に放電させてそれぞれの端子間電圧を
均一化する構成とした。
【0011】第3の発明は、第2の発明において、各コ
ンデンサ並列回路の端子間電圧を検出する個別電圧検出
回路を備え、バンク休止手段は検出されたコンデンサ並
列回路の端子間電圧のバラツキが大きいコンデンサバン
クを休止させる構成とした。
【0012】第4の発明はにおいて、各コンデンサ並列
回路の端子間電圧を検出する個別電圧検出回路を備え、
放電制御手段は各コンデンサ並列回路の端子間電圧の平
均値にまで放電させる構成とした。
【0013】第5の発明は、第1から第3のいずれか一
つの発明において、個別放電回路によるコンデンサの放
電状態を検出する放電状態検出手段を備えるものとし
た。
【0014】
【発明の作用および効果】第1の発明において、各コン
デンサの静電容量等にバラツキがあっても、各コンデン
サ間の電位のバラツキを減らして蓄電電力を最大限に確
保できる。
【0015】また、蓄電装置の充放電を繰り返しても、
コンデンサバンクの少なくとも一つを休止できる運転条
件で各コンデンサ間の電位のバラツキを減らすことによ
り、各コンデンサの一部が過充電されたり、過放電また
は逆充電されることが防止される。
【0016】このため、蓄電装置の高効率化がはかれ、
長寿命な電気自動車の電源システムを実現できる。
【0017】第2の発明において、各コンデンサ並列回
路の静電容量等にバラツキがあっても、各コンデンサ並
列回路間の電位のバラツキを減らして蓄電電力を最大限
に確保できる。
【0018】第3の発明において、各コンデンサ並列回
路の端子間電圧を検出し、検出されたコンデンサ並列回
路の端子間電圧のバラツキが大きいコンデンサバンクを
休止させることにより、効率よく各コンデンサ間の電位
のバラツキを減らすことができる。
【0019】第4の発明において、各コンデンサ並列回
路の端子間電圧を検出し、各コンデンサ並列回路の端子
間電圧の平均値にまで放電させることにより、効率よく
各コンデンサ間の電位のバラツキを減らすことができ
る。
【0020】第5の発明において、個別放電回路による
コンデンサの放電状態を検出することにより、効率よく
各コンデンサ間の電位のバラツキを減らすことができ
る。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、本発明をシリーズ式ハイブ
リッド車に搭載される蓄電装置に適用した電気システム
の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【0022】図1に示すように、エンジン1は発電機2
を駆動し、発電機2で発電される電力が整流器3から電
源回路14,15を介して蓄電装置4に供給されるとと
もに、インバータ5を介して走行用モータ6に供給され
る。蓄電装置4とインバータ5の間に双方向昇降圧チョ
ッパ回路からなる電流ポンプ10が介装され、走行用モ
ータ6の駆動時にインバータ5への出力電圧を一定に制
御し、走行用モータ6の回生発電時または発電機2の発
電時に蓄電装置4への充電電流を適正値に制御するよう
になっている。図示しない車輪は走行用モータ6によっ
て駆動される。図において、8は化学電池で構成される
補助蓄電装置、7は補助蓄電装置8を充電するDC−D
Cコンバータ、9は補機である。
【0023】図2に示す車両制御装置36はマイクロコ
ピンュータとその周辺部品を備え、車両の運転条件に応
じてエンジン1の運転を制御し、整流器3を介して発電
電力を制御するとともに、インバータ5を介して走行用
モータ6の回転数や出力トルクまたは回生発電電力等を
制御する。
【0024】以上は本発明が適用可能なハイブリッド車
両の基本的な構成例を示したものであり、本発明はこう
したハイブリッド車両において蓄電装置4を構成する各
コンデンサ21間の電位のバラツキを減らし、蓄電装置
4の蓄電電力を最大限に確保することを目的とする。
【0025】本発明は、蓄電装置4に約1000個のコ
ンデンサ21によって構成される第一コンデンサバンク
12と第二コンデンサバンク13を備える。なお、コン
デンサバンクの数は少なくとも二つあればよく、三つ以
上としてもよい。
【0026】第一、第二コンデンサバンク12,13と
電源回路14の間にはヒューズ45およびコンタクタ1
6を介して各電流ポンプ10が介装され、電源回路14
はジャンクションボックス17を介して整流器3および
インバータ5等に接続される。
【0027】図3に示すように、第一コンデンサバンク
12は、電源回路14,15の間に並列に介装されるn
個のコンデンサ直列回路22を備え、各コンデンサ直列
回路22にm個の各コンデンサ21が直列に介装され
る。したがって、第一コンデンサバンク12は、合計す
るとm×n個のコンデンサ21によって構成される。な
お、第二コンデンサバンク13も第一コンデンサバンク
12と同様に構成される。
【0028】コンデンサマネージメントシステム37は
マイクロコンピュータとその周辺部品を備え、車両制御
装置36との間で情報をやり取りし、各電流ポンプ10
を介して第一、第二コンデンサバンク12,13の充放
電を制御する。なお、コンデンサマネージメントシステ
ム37は車両制御装置36と統合してもよい。
【0029】各コンデンサ直列回路22の同一直列段に
配置されるn個のコンデンサ21が並列に介装されるコ
ンデンサ並列回路23をm個備え、各コンデンサ並列回
路23の端子間電圧を検出する個別電圧検出回路35を
備えるとともに、各コンデンサ並列回路23の電荷を放
電してその端子間電圧を調節する個別放電回路25を備
える。
【0030】図4に示すように、個別放電回路25は定
電圧ダイオード26と放電用トランジスタ28,34と
抵抗29〜32およびフォトカプラ27等によって構成
される。定電圧ダイオード(プログラマブルシャントレ
ギュレータ)26はコンデンサ並列回路23の端子間電
圧がコンデンサマネージメントシステム37によって指
令される所定値以上に上昇すると通電し、コンデンサ並
列回路23の電荷を抵抗32および放電用トランジスタ
28を介して放電するとともに、この放電時にフォトカ
プラ27を介してコンデンサマネージメントシステム3
7に信号を出力する。なお、フォトカプラ27が本発明
の放電状態検出手段を構成する。
【0031】コンデンサマネージメントシステム37
は、第一、第二コンデンサバンク12,13の一方を休
止可能な運転状態を判定し、第一、第二コンデンサバン
ク12,13のうち各コンデンサ並列回路23の端子間
電圧のバラツキが大きい方を電流ポンプ10およびコン
タクタ16を介して休止させ、端子間電圧が高いコンデ
ンサ並列回路23の電化を放電させて端子間電圧の均一
化をはかる制御を行う。
【0032】図5、図6のフローチャートは上記制御ル
ーチンを示しており、これに表される処理はコンデンサ
マネージメントシステム37により周期的に実行され
る。
【0033】これについて説明すると、まず、ステップ
1で後述する各フラグをイニシャライズし、ステップ2
で第一、第二コンデンサバンク12,13のうち各直列
段のコンデンサ21の端子間電圧のバラツキの大小を評
価する。そして第一コンデンサバンク12のバラツキが
所定値より大きい場合にフラグAをセットし、第二コン
デンサバンク13のバラツキが所定値より大きい場合に
フラグBをセットする(ステップ3〜6)。
【0034】フラグAまたはBがセットされた場合、第
一、第二コンデンサバンク12,13の入出力電流を測
定し、この入出力電流が所定値以下となる第一、第二コ
ンデンサバンク12,13の一方を休止可能な運転状態
を判定する(ステップ7,9,10)。
【0035】第一、第二コンデンサバンク12,13の
一方を休止できる運転状態にある場合、第一、第二コン
デンサバンク12,13のうち端子間電圧のバラツキの
大きい方の電流ポンプ10を停止し、各コンデンサ並列
回路23の電荷を個別放電回路25を介して個別に放電
してその端子間電圧を測定された平均値に近づける(ス
テップ12〜15)。
【0036】第一、第二コンデンサバンク12,13の
一方を休止できる運転状態から外れた場合、個別放電回
路25の作動を停止し、電流ポンプ10の作動を再開
し、フラグA,Bをクリアする(ステップ16〜1
9)。
【0037】一方、フラグAおよびBがセットされない
場合、あるいは第一、第二コンデンサバンク12,13
を休止できない場合、上記処理を迂回し、イグニッショ
ンスイッチがOFFになるのに伴って本ルーチンを終了
する(ステップ7,8,10,11)。
【0038】なお、ステップ9〜14の処理が本発明の
バンク休止手段に相当し、ステップ15の処理が本発明
の放電制御手段に相当する。
【0039】これにより、各コンデンサ21の静電容量
等にバラツキがあっても、各コンデンサ21間の電位の
バラツキを減らして蓄電電力を最大限に確保できる。蓄
電装置4は2×m×n個のコンデンサ21を備えている
ので、各コンデンサ21の静電容量をC、耐電圧をVma
xとすると、蓄電装置4に蓄えられる静電エネルギの最
大値Emaxは、Emax=2×m×n×C×Vmax2/2とな
る。
【0040】また、蓄電装置4の充放電を繰り返して
も、各コンデンサ21間の電位のバラツキを減らすこと
により、各コンデンサ21の一部が過充電されたり、過
放電または逆充電されることが防止され、長寿命な電源
システムを実現できる。
【0041】以上、シリーズ式ハイブリッド電気自動車
の場合で説明したが、本発明はパラレル式ハイブリッド
電気自動車や発電機を搭載しない電気自動車、燃料電池
を電源とする電気自動車をはじめとする他の電気自動車
の電源システムに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を示す電気自動車の電源シ
ステムの構成図。
【図2】同じく蓄電装置の構成図。
【図3】同じく第一コンデンサバンクの回路図。
【図4】同じく並列モニタ回路の回路図。
【図5】同じく制御内容を示すフローチャート。
【図6】同じく制御内容を示すフローチャート。
【図7】従来例を示す電気自動車の電源システムの構成
図。
【符号の説明】
1 エンジン 2 発電機 3 整流器 4 蓄電装置 5 インバータ 6 走行用モータ 10 電流ポンプ 12 第一コンデンサバンク 13 第二コンデンサバンク 22 コンデンサ直列回路 23 コンデンサ並列回路 25 個別放電回路 35 個別電圧検出回路 37 コンデンサマネージメントシステム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H02J 1/00 304 H02J 1/00 306L 306 7/00 302C 7/00 302 H01G 9/00 301Z (72)発明者 佐々木 正和 埼玉県上尾市大字壱丁目一番地 日産デ ィーゼル工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平6−335108(JP,A) 特開 平6−319204(JP,A) 特開 平9−318679(JP,A) 特開 平10−94169(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B60L 11/00 - 11/18 B60K 6/04 H01G 9/155 H02J 1/00 H02J 7/00

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】走行用モータに電力を供給する蓄電装置を
    備え、 前記蓄電装置を複数のコンデンサによって構成する電気
    自動車の電源システムにおいて、 前記蓄電装置に複数のコンデンサを直列に介装した複数
    のコンデンサバンクを並列に介装し、 前記蓄電装置に流れる電流に応じて前記各コンデンサバ
    ンクのうち少なくとも一つを休止させるバンク休止手段
    と、 前記各コンデンサの電荷を個別に放電させる個別放電回
    路と、 休止した前記コンデンサバンクにて前記各コンデンサの
    電荷を個別に放電させて前記各コンデンサの端子間電圧
    を均一化する放電制御手段と、 を備えたことを特徴とする電気自動車の電源システム。
  2. 【請求項2】前記コンデンサバンクは電源回路の間に並
    列に介装されるコンデンサ直列回路を備え、 前記各コンデンサ直列回路に前記コンデンサが直列に介
    装され、 前記各コンデンサ直列回路の同一直列段に配置される前
    記各コンデンサが並列に介装されるコンデンサ並列回路
    を備え、 前記個別放電回路は前記各コンデンサ並列回路の電荷を
    個別に放電させてそれぞれの端子間電圧を均一化する構
    成としたことを特徴とする請求項1に記載の電気自動車
    の電源システム。
  3. 【請求項3】前記各コンデンサ並列回路の端子間電圧を
    検出する個別電圧検出回路を備え、前記バンク休止手段
    は検出されたコンデンサ並列回路の端子間電圧のバラツ
    キが大きいコンデンサバンクを休止させる構成としたこ
    とを特徴とする請求項2に記載の電気自動車の電源シス
    テム。
  4. 【請求項4】各コンデンサ並列回路の端子間電圧を検出
    する個別電圧検出回路を備え、前記放電制御手段は各コ
    ンデンサ並列回路の端子間電圧の平均値にまで放電させ
    る構成としたことを特徴とする請求項3に記載の電気自
    動車の電源システム。
  5. 【請求項5】前記個別放電回路による前記コンデンサの
    放電状態を検出する放電状態検出手段を備えたことを特
    徴とする請求項1から4のいずれか一つに記載の電気自
    動車の電源システム。
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