JP3579733B2 - モータ駆動用電源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ駆動用電源装置、特に、電気自動車、電気スクータ、電気自転車等の動力用モータを駆動するのに適した電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車、電気スクータ、電気自転車等の動力用モータを駆動する電源装置としては、電池及びコンデンサを並列接続し、この並列回路からの出力を電力変換器を介してモータに供給するハイブリッド電源装置が従来から用いられている。この場合、モータの負荷変動に対して、電池は、長時間にわたり小電流をモータへ流す機能を果たし、コンデンサは、短時間に大電流をモータへ流す機能を果たす。
【０００３】
かかる従来のモータ駆動用電源装置の一例を図３に示す。高電圧を発生するために直列接続された複数個の電池のグループ１０及び複数個のコンデンサのグループ１２は、マイナス（−）側が共通電位となり、プラス（＋）側が電流制御回路１４を介して並列接続されている。なお、電流制御回路１４は、電池グループ１０から過電流が流れるのを防止するためのものであり、電池グループ１０及びコンデンサ・グループ１２の並列回路からの電圧は、電力変換器であるモータ駆動回路１６を介して直流モータ１８の両端に供給される。モータ駆動回路１６は、チョッパ又はインバータと、その制御回路とから構成されており、電圧を降圧又は昇圧できる。モータ１８を回転駆動して力行させる場合、モータ駆動回路１６は、電池グループ１０及びコンデンサ・グループ１２からの電圧を降圧してモータ１８へ供給する。この際、降圧の程度を制御することにより、モータの回転速度や、トルク等を制御できる。また、モータ１８への駆動電圧を停止して、回生させる場合、モータ１８が発電機として機能するので、モータ駆動回路１６は、モータ１８の発電電圧を昇圧してコンデンサ・グループ１２を充電（蓄電）する。この充電したエネルギーをモータの力行時に再利用して、電源装置全体の効率を改善している。
【０００４】
従来のモータ駆動用電源装置の他の例を図４に示した。図３の従来例との相違点は、電池グループ１０及びコンデンサ・グループ１２のプラス側を半導体素子のスイッチ２０により、交互に高速で選択し、選択された電圧をモータ駆動回路１６に供給する点である。なお、半導体スイッチ２０には、パワー・トランジスタ、絶縁ゲート・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などを利用でき、スイッチ制御回路２２で、スイッチ２０の高速切換を制御する。この従来技術も図３の場合と同様に、モータ１８の力行時には、モータ駆動回路１６がスイッチ２０の出力電圧を降圧してモータ１８に供給する。また、モータ１８の回生時には、モータ１８の発電電圧をモータ駆動回路１６が昇圧し、スイッチ２０を介してコンデンサ・グループ１２を充電する。この充電したエネルギー（蓄電エネルギー）は、モータの力行時に再利用される。
【０００５】
また、特開平５−３０６０８号公報は、特にその図５において、別の従来のモータ駆動用電源装置を開示している。この電源装置では、モータの力行時に電池及びコンデンサが直列接続され、電池の電圧とコンデンサに充電された電圧との和によりモータを駆動する。また、モータの回生時には、電池及びコンデンサを並列接続して、モータの発電電圧をコンデンサに重点的に充電している。この際、電池側には、レベリング回路が直列接続されて、電池への充電を抑制している。このような構成により、力行時には、電池及びコンデンサによりモータに多くの電流を供給し、回生時には、重点的にコンデンサを充電している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、モータを駆動するための電圧をコンデンサから得るには、コンデンサは、大容量でなければならない。しかし、大容量のコンデンサであっても、コンデンサの充電（蓄電）エネルギーは電池に比べると１桁以上小さいため、コンデンサに蓄積されたエネルギーを有効利用する必要がある。コンデンサのエネルギーは、静電容量と、電圧の２乗との積の半分であるので、コンデンサの蓄電エネルギーを総て使用することは、コンデンサの電圧がゼロになるまで使うということである。しかし、図３及び図４に示した何れの従来技術でも、コンデンサの電圧でモータ駆動回路及びモータを駆動しているが、これらを駆動するためには、ある程度以上の電圧が必要である。よって、コンデンサの電圧がゼロになる前に、モータ駆動回路及びモータが動作しなくなるので、コンデンサの蓄電エネルギーを使いきることができない。これは、コンデンサの端子に昇圧回路を設けても、結局は同じであり、コンデンサの蓄電エネルギーを使いきることができない。
【０００７】
また、大容量コンデンサの主流は、電気二重層コンデンサであるが、このコンデンサは、電解液の電気分解を防止するために、１セル当たりの電圧を１〜５ボルト程度にしかできない。よって、モータを駆動するためには、モータが必要とする電圧まで高くしなければならないので、複数個の電気二重層コンデンサを直列接続しなければならない。なお、電気自動車、電気スクータ、電気自転車であれば、モータの駆動電圧としては、２４〜３００ボルト程度が必要である。
【０００８】
ところで、複数のコンデンサを直列接続すると、各コンデンサでの電圧のバランスの問題が生じる。図５を参照して、この問題を更に説明する。なお、説明上、コンデンサが破壊・劣化せずに使用できる電圧範囲の下限及び上限を夫々０及び３ボルトとする。静電容量が全く等しい３個のコンデンサを図５Ａ（初期状態）に示すように直列接続すると、総てのコンデンサの電圧は夫々ゼロ・ボルトである。次に、図５Ｂ（充電状態）に示すように、９ボルトの電池で充電すると、すべてのコンデンサの静電容量が等しいので、夫々のコンデンサの電圧が３ボルトになる。電池を非接続にしてコンデンサを放置すると、図５Ｃ（自己放電状態）に示すように、コンデンサは内部抵抗により自己放電するが、この自己放電のバラツキが非常に大きい。時間が経つにしたがって、この電圧のバラツキが更に大きくなり、最悪の場合は、図５Ｄに示すように、あるコンデンサでは、その電圧がゼロ・ボルトになってしまう。この状態では、放電すると、ゼロ・ボルトのコンデンサが下限を守れなくなり、また、充電すると、３ボルトのコンデンサが上限を守れなくなるので、充電及び放電ができなくなってしまう。
【０００９】
そこで、この問題を解決するためには、使用前に総てのコンデンサの電圧を下限に揃えるか、上限に揃える必要がある。従来技術では、図５Ｅに示すように、各コンデンサに抵抗器を並列接続して、使用後にコンデンサに残ったエネルギーを抵抗器により放電して、コンデンサ電圧を下限に揃えていた。また、別の従来技術では、図５Ｆに示すように、各コンデンサに、例えば、３ボルトのツェナー・ダイオードを並列接続し、使用前に各コンデンサを上限電圧にまで充電して、揃えていた。しかし、これら図５Ｅ及びＦに示す従来技術では、各コンデンサに余分な外付け部品が必要となるばかりでなく、エネルギーの損失も生じた。
【００１０】
さらに、図３及び図４に示した従来技術では、電力変換器（モータ駆動回路）が、モータの力行時及び回生時のいずれか一方で必ず昇圧を行わなければならなかった。しかし、一般に昇圧は、降圧よりも効率が悪く、電源装置全体の効率が低下してしまった。
また、上述した特開平５−３０６０８号公報の図５に開示された従来の電源装置では、電池及びコンデンサの接続関係を、モータの駆動モードに応じて、直列接続及び並列接続の間で選択的に切り替える回路が必要となり、構成が複雑となった。さらに、この従来技術では、コンデンサが高電圧を発生する必要があるために、多数のコンデンサを直列接続しなければならず、上述の各コンデンサの電圧のバラツキの問題が生じた。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、コンデンサが蓄えた電気エネルギーをゼロになるまで使用できると共に、コンデンサが高圧を発生する必要がなく、また電力変換器が降圧動作のみでよく、構成が簡単なモータ駆動用電源装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項１記載の発明に係るモータ駆動用電源装置は、
電池２６及びコンデンサ２４の直列回路と、
前記直列回路の電圧を受けて、モータ３０に駆動電圧を供給する第１電力変換器２８，３４と、
前記モータ３０からの発電電圧を受け、前記コンデンサ２４に充電電圧を供給する第２電力変換器３２、３４とを具え、
前記モータ３０の力行時に前記第１電力変換器２８、３４からの駆動電圧により前記モータ３０を駆動し、前記モータ３０の回生時には前記第２電力変換器３２、３４からの充電電圧により前記コンデンサ２４を充電するモータ駆動用電源装置において、
前記直列回路は、第１グループ（１個の場合を含む）の電池２６１と、コンデンサ２４と、第２グループ（１個の場合を含む）の電池２６２とが順次直列接続された回路であり、
前記第１及び第２グループの電池２６１、２６２の前記コンデンサとは反対側の２個の端部が前記第１電力変換器２８１、２８２を介して前記モータ３０の両端に夫々結合され、
前記コンデンサ２４の両端部が前記第２電力変換器３２を介して前記モータ３０の両端に結合されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載したモータ駆動用電源装置において、
第１及び第２電力変換器は、電圧の降圧を行うチョッパ回路２８、３２又はインバータ回路と、その制御回路３４とで構成されていることを特徴とする。
請求項３に記載した発明は、請求項１に記載したモータ駆動用電源装置において、
コンデンサ２４の両端に極性反転防止用ダイオード３６が接続されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載した発明は、請求項１又は３に記載 したモータ駆動用電源装置において、
コンデンサ２４が電気二重層コンデンサであることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態及び実施例】
図１は、本発明の好適な第１実施例のブロック図である。例えば、一般的な大容量コンデンサである１個の電気二重層コンデンサ２４と、例えば、蓄電池である複数の電池２６を直列接続し、直列回路とする。この直列回路の電池グループ２６のコンデンサの反対端（プラス端）を力行用降圧チョッパ２８を介して、直流モータ３０の一端（プラス端）に結合する。コンデンサ２４及び電池グループ２６の共通接続点は、回生用降圧チョッパ３２を介して直流モータ３０の一端に結合する。コンデンサ２４の他端（マイナス端）は、モータ３０の他端（マイナス端）に結合する。チョッパ制御回路３４は、チョッパ２８及び３２のチョッピング動作を制御し、これらチョッパ２８及び３２並びに制御回路３４が電力変換器を構成する。また、コンデンサ２４の両端には、バイパス・ダイオード３６を接続する。なお、チョッパ２８及び３２には、パワートランジスタ、絶縁ゲート・トランジスタ（ＩＧＢＴ）及び電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などのスイッチング半導体素子を利用できる。また、これらチョッパには、導通の際に通過させる電流の方向性があり、チョッパ２８では、電池グループ２６からモータ３０への方向であり、チョッパ３２では、モータ３０からコンデンサ２４の方向である。
【００１８】
次に、図１の実施例の動作を説明する。コンデンサ２４は、電気エネルギーにより、ある電圧まで充電されているとする。モータ力行時に、コンデンサ２４の電圧及び電池グループ２６の電圧が加算されて、この加算電圧が力行用降圧チョッパ２８により降圧されて、直流モータ３０に供給される。よって、コンデンサ２４及び電池グループ２６からの電流が、チョッパ２８及びモータ３０を介してコンデンサ２４に戻り、閉回路が形成され、モータ３０が回転する。この際、大電力が必要な場合に、コンデンサ２４の電気エネルギーが電力供給を助ける。また、チョッパ２８は、制御回路３４からのパルス信号の制御により導通及び非導通を繰り返し、導通のときのみ入力を出力に通過させるので、導通及び非導通の時間比を制御することにより、降圧の割合を制御できる（即ち、導通時に通過した電気エネルギーの全時間に対する平均値がモータ３０へ供給される電圧に対応する）。この制御により、モータ３０の回転状態を制御する。この際、コンデンサ２４及び電池グループ２６は直列接続なので、コンデンサ２４の電圧が順次低下していっても、電池グループ２６の上端の電圧は、常に少なくとも電池の電圧だけは十分にあるので、コンデンサ２４の電圧がゼロになるまで、このコンデンサ２４の電気エネルギーを利用できる。また、チョッパ３２には方向性があるので、コンデンサ２４の電圧がチョッパ３２を介してモータ３０には供給されない。
【００１９】
モータ３０の回生時には、チョッパ２８が非導通状態のままになり、電池グループ２６からの電圧がチョッパ２８を通過せず、モータ３０に駆動電圧が供給されない。よって、モータ３０は、発電機として機能し、発電電圧をチョッパ３２を介してコンデンサ２４に供給し、このコンデンサ２４を充電する。この充電電圧が、モータの力行時に再利用される。なお、モータ３０の発電電圧が高いので、チョッパ２８と同じ原理で、チョッパ３２は、制御回路３４の制御に応じて、この発電電圧を降圧する。
【００２０】
ところで、モータ３０の力行時には、大容量コンデンサ２４の放電が進むにつれて、充電電圧が低下し、蓄電量がゼロになると、極性が反転してしまう。ダイオード３６は、コンデンサ２４の極性が反転しようとすると導通して、この極性反転を防止する。なお、コンデンサ２４の極性が反転しない期間中は、ダイオード３６は非導通なので、図１の装置の動作に影響しない。
【００２１】
図２は、本発明の好適な第２実施例のブロック図である。図１の実施例との相違点のみを以下に説明する。コンデンサ及び電池の直列回路は、電池の第１グループ２６１と、コンデンサ２４と、電池の第２グループ２６２とから構成されている。すなわち、コンデンサ２４が電池グループ２６１及び２６２の間に配置されており、図１の実施例のコンデンサ２４のマイナス側に更に電池グループが配置されているのと等価である。よって、力行用降圧チョッパは、２個のチョッパ２８１及び２８２で構成され、電池グループ２６１のマイナス端がチョッパ２８１を介してモータ３０のマイナス端に結合され、電池グループ２６２のプラス端がチョッパ２８２を介してモータ３０のプラス端に結合されている。また、コンデンサ２４の両端は、２個のチョッパからなる回生用チョッパ３２を介してモータ３０の両端に結合する。これら４個のチョッパは、制御回路３４により制御されるが、チョッパ２８１及び２８２は同時に導通及び非導通になる。また、２個のチョッパ３２も同時に導通及び非導通になる。これらチョッパ２８１、２８２及び３２にも導通方向がある点に留意されたい。
【００２２】
図２の実施例の動作は、図１の実施例の動作と同様であり、モータ３０の力行時には、電池グループ２６１、コンデンサ２４及び電池グループ２６２から、チョッパ２８２を介してモータ３０に電流が流れ、モータ３０からの戻り電流がチョッパ２８１を介して電池グループ２６１に戻る。なお、チョッパ２８１及び２８２による降圧の程度は、制御回路３４からの導通制御期間及び非導通制御期間の比により決まる。モータの回生時には、チョッパ２８１及び２８２が非導通になり、モータ３０の発電電圧がチョッパ３２により降圧されて、コンデンサ２４を充電する。この充電によるエネルギーがモータの力行時に利用される。
【００２３】
以上に、本発明の好適な二つの実施例について説明したが、当業者には、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の変形及び変更が可能である。例えば、電力変換器は、チョッパの代わりにインバータを用いて、入力電圧を降圧をしてもよい。また、コンデンサとしては、複数のコンデンサを並列接続したものを用いてもよい。さらに、１個のコンデンサの代わりに、少数のコンデンサを直列接続して用いてもよい。なお、少数コンデンサの直列接続の場合、各コンデンサの電圧のバラツキは、多数のコンデンサの直列接続の場合よりも少ないので、さほど問題にならない。
【００２４】
【発明の効果】
本発明のモータ駆動用電源装置によれば、コンデンサ及び電池を直列接続しているので、コンデンサの蓄電電圧が低下しても、直列回路全体の電圧は電力変換器及びモータを駆動するのに十分な程高く、モータの力行時にコンデンサの蓄電エネルギーを完全にゼロになるまで使用できる。また、コンデンサの電圧が電池電圧のように高い必要がなく、低くてもよいので、多数のコンデンサを直列接続する必要がない。よって、コンデンサの電圧のバランスの問題が小さくなり、大容量のコンデンサを低電圧仕様のまま使えるため、コンデンサは、１個又は少数でもよい。この場合、特殊なコンデンサは不要であり、安価で一般的な電気二重層コンデンサを使用できるので、電源装置全体を安価にできる。さらに、電力変換器は、昇圧を行わず、降圧のみの動作でよいので、全体の効率が改善し、消費電力を低下できる。
【００２５】
また、コンデンサ及び電池の接続関係を力行時及び回生時に応じて切り替える必要がないので、接続切換回路を要する従来技術よりも構成が簡単となるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のモータ駆動用電源装置の好適な一実施例のブロック図である。
【図２】本発明のモータ駆動用電源装置の好適な他の実施例のブロック図である。
【図３】従来のモータ駆動用電源装置の一例のブロック図である。
【図４】従来のモータ駆動用電源装置の他の例のブロック図である。
【図５】コンデンサの充電及び放電の動作並びに従来のコンデンサ回路を説明する回路図である。
【符号の説明】
２４ コンデンサ
２６ 電池
２６１ 電池
２６２ 電池
２８ 第１電力変換器を構成する力行用降圧チョッパ
２８１ 第１電力変換器を構成する力行用降圧チョッパ
２８２ 第１電力変換器を構成する力行用降圧チョッパ
３０ モータ
３２ 第２電力変換器を構成する回生用降圧チョッパ
３４ 電力変換器の一部であるチョッパ制御回路
３６ ダイオード

Claims (4)

1. 電池及びコンデンサの直列回路と、
   前記直列回路の電圧を受けモータに駆動電圧を供給する第１電力変換器と、
   前記モータからの発電電圧を受け、前記コンデンサに充電電圧を供給する第２電力変換器とを具え、
   前記モータの力行時に前記第１電力変換器からの駆動電圧により前記モータを駆動し、前記モータの回生時には前記第２電力変換器からの充電電圧により前記コンデンサを充電するモータ駆動用電源装置において、
   前記直列回路は、第１グループ（１個の場合を含む）の電池と、コンデンサと、第２グループ（１個の場合を含む）の電池とが順次直列接続された回路であり、
   前記第１及び第２グループの電池の前記コンデンサとは反対側の２個の端部が前記第１電力変換器を介して前記モータの両端に夫々結合され、
   前記コンデンサの両端部が前記第２電力変換器を介して前記モータの両端に結合されていることを特徴とする、モータ駆動用電源装置。
2. 第１及び第２電力変換器は、電圧の降圧を行うチョッパ回路又はインバータ回路とその制御回路とで構成されていることを特徴とする、請求項１に記載したモータ駆動用電源装置。
3. コンデンサの両端に極性反転防止用ダイオードが接続されていることを特徴とする、請求項１に記載したモータ駆動用電源装置。
4. コンデンサは電気二重層コンデンサであることを特徴とする、請求項１又は３に記載したモータ駆動用電源装置。

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