JP3606740B2

JP3606740B2 - 電気自動車の電源システム

Info

Publication number: JP3606740B2
Application number: JP18357898A
Authority: JP
Inventors: 繁則木下; 慶人渡邉; 淳山田
Original assignee: UD Trucks Corp; Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; UD Trucks Corp
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1998-06-30
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2018-06-30
Also published as: JP2000023306A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気二重層キャパシタ電池等からなる蓄電装置を電源とする電気自動車、または、蓄電装置とエンジン発電機とを電源とするハイブリッド電気自動車の電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、ハイブリッド電気自動車の主蓄電装置として電気二重層キャパシタ電池を適用した電源システムの構成例を示す。従来の電源システムでは、蓄電装置として化学電池を使用していたが、化学電池は充放電サイクル寿命が短く、しかも高出力作動時の効率が悪いため、最近では電気二重層キャパシタ電池が適用されてきている。
【０００３】
この図５において、１はエンジン、２は発電機、３はコンバータ、４は主蓄電装置、５は車両駆動電動機６を駆動するインバータ、７は補助蓄電装置８を充電するＤＣ−ＤＣコンバータ、９は補助蓄電装置８によって給電される補機である。
主蓄電装置４は、複数の電気二重層キャパシタセル４１，４２，４３，……を直列に接続した電気二重層キャパシタ電池により構成されている。
なお、図５において、電動機６以降の駆動機構は図示を省略してある。
【０００４】
図５に示した電源システムはシリーズハイブリッド方式の電気自動車であり、エンジン１及び発電機２による発生電力の一部または全部を主蓄電装置４に供給して充電する。そして、エンジン１及び発電機２による発生電力と主蓄電装置４の電力とを用い、インバータ５を介して電動機６により車両を駆動する。
【０００５】
加速時は、発電機２の電力と主蓄電装置４の電力、または主蓄電装置４のみの電力により、インバータ５を介して電動機６を加速駆動する。
また、回生制動時は、電動機６に発生した制動電力をインバータ５を介して主蓄電装置４に回生し、充電する。
発電機を搭載しない電気自動車の電源システムは、図５においてエンジン１、発電機２、コンバータ３を除いたシステム構成となり、その動作は容易に類推できるため詳述を省略する。
【０００６】
前述したように、主蓄電装置４は車両の加速時には放電、制動時には充電の繰り返し作動となり、その回数は数万回にも達する。電気自動車用主蓄電装置はこの多大な充放電サイクル回数に耐えるものでなくてははならない。前述した電気二重層キャパシタ電池による蓄電装置はこの性能を有しており、電気自動車用として優れた蓄電装置と言うことができる。
図５に示した電気二重層キャパシタ電池も、従来の化学二次電池を複数個直列接続した組電池と同じく、電気二重層キャパシタセル４１，４２，４３，……を複数個直列接続した構成で使用し、従来の化学二次電池を電気二重層キャパシタ電池に置き換えたシステムとしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
電気二重層キャパシタ電池は化学電池と異なり、蓄積エネルギーは電圧の２乗に比例する。すなわち、蓄積エネルギーの増大に応じてキャパシタ電圧が上昇する。
また、前述のように、複数のキャパシタセルを直列接続した電気二重層キャパシタ電池は、充電した状態で長時間放置し、または充放電を繰り返し行うと、キャパシタセル電圧にバラツキが発生する。このため、頻繁に充放電を繰り返す電気自動車に適用すると、セル電圧のバラツキによって一部のキャパシタセルが過電圧になり、キャパシタ電池の故障に至ってしまう。
電気自動車にとって、蓄電装置の故障は重大故障であるため、電気二重層キャパシタ電池を電気自動車に適用する場合には、キャパシタセルが過電圧にならないことが大きく求められている。
【０００８】
次に、直列接続された電気二重層キャパシタセルの電圧挙動について説明する。
電気二重層キャパシタセルの内部等価回路は、図６のように表される。電気二重層キャパシタセル４１は等価的に、キャパシタエレメント４１０ａ，４１１ａ，４１２ａ，……，が抵抗４１０ｂ，４１１ｂ，４１２ｂ，……，を介して並列接続されていると見なすことができる。また、キャパシタセルごとに、自己放電を等価的に表す放電抵抗４１０ｃ，４１１ｃ，４１２ｃ，……，がキャパシタエレメント４１０ａ，４１１ａ，４１２ａ，……，に並列に接続されていると見なすことができる。
【０００９】
電気自動車用の主蓄電装置に電気二重層キャパシタ電池を適用する場合、図６に示した電気二重層キャパシタセル４１を複数個直列接続して使用するが、各キャパシタセル４１ごとの回路定数は全て同じではないことに起因して、以下のような問題が発生する。
すなわち、キャパシタ電池を充電した状態で長時間放置すると、各キャパシタセルごとに内部の自己放電抵抗によって自己放電する。
【００１０】
この直列接続キャパシタセルの電圧挙動を、図７を参照しつつ説明する。説明を簡素化するため、キャパシタセルが２個直列接続されたキャパシタ電池の場合につき説明する。
図７において、２個のキャパシタセルＣ１，Ｃ２が均一に電圧Ｖ１に充電された状態（合成電圧はＶｏ）で、時刻ｔ＝Ｔ０のときにキャパシタ電池を開放状態にして放置する。
時刻ｔ＝Ｔ１までキャパシタセルを自己放電させると、自己放電抵抗値の違いにより、時刻ｔ＝Ｔ１におけるキャパシタセルＣ１，Ｃ２の電圧値は異なってくる。
【００１１】
時刻ｔ＝Ｔ１から、キャパシタ合成電圧が規定値Ｖｏになるｔ＝Ｔ２まで充電すると、両キャパシタセルＣ１，Ｃ２はほぼ同じ電圧ΔＶ／２だけ上昇する。時刻ｔ＝Ｔ２で一方のキャパシタセルＣ１の電圧は他方のキャパシタセルＣ２よりも大きくなるが、過電圧レベルＶ２には達しない。
【００１２】
時刻ｔ＝Ｔ２において、キャパシタ電池を再び開放状態にして放置すると、両キャパシタセルＣ１，Ｃ２は自己放電を始める。すると、時刻ｔ＝Ｔ３におけるキャパシタセル電圧のバラツキは、時刻ｔ＝Ｔ１の時よりも更に拡大する。
【００１３】
時刻ｔ＝Ｔ３から、キャパシタセル合成電圧が再び規定値Ｖｏになる時刻ｔ＝Ｔ４まで充電する。時刻ｔ＝Ｔ３時点でのキャパシタセル電圧のバラツキを受けて、前述のように両キャパシタセルＣ１，Ｃ２はほぼ同じ電圧ΔＶ／２だけ上昇するため、時刻ｔ＝Ｔ４におけるキャパシタセル電圧のバラツキは時刻ｔ＝Ｔ２の時より更に拡大し、一方のキャパシタセルＣ１の電圧は過電圧レベルＶ２を越えてしまい、キャパシタセルＣ１の故障にまで発展してしまう。
【００１４】
図７では、時刻ｔ＝Ｔ０，Ｔ２でキャパシタ電池を開放して自己放電させた場合について示したが、負荷への電力供給によって放電する場合も同じ現象となる。特にこの場合は、自己放電の場合より放電時間は短くなる。
【００１５】
このようなことから、電気二重層キャパシタセルを複数個直列接続して電池として使用する場合、直列キャパシタセルの１つでも過充電にならないように、各キャパシタセルごとに電圧均等化回路を接続し、キャパシタセルが過電圧になる前に適当なタイミングでキャパシタセル電圧を均等にする方法がとられている。
図８はこの方法について示したものである。図７の場合と同じく、キャパシタセルの直列数が２の場合で示してある。
【００１６】
キャパシタセル電圧Ｖが基準電圧Ｖ１に達すると、電圧均等化回路４ａ，４ｂを作動させて充電電流Ｉｏの一部を電圧均等化回路４ａ，４ｂに分流させる。すなわち、図８（ａ），（ｂ）に示す如く、キャパシタセル電圧Ｖの上昇に応じて、キャパシタセル電流ｉｃを減少させながら分流電流ｉｂを増加させていく（図において、Ｉｏはｉｂとｉｃとの和）。そして、キャパシタセル電圧Ｖが過電圧レベルＶ２に達すると、キャパシタセル電流ｉｃを零にする。
【００１７】
このように、キャパシタセル電圧Ｖを監視し、規定電圧以上では充電電流Ｉｏを電圧均等化回路４ａ，４ｂにバイパスさせることによって、キャパシタセル４１，４２の電圧はＶ２より高くはならない。
キャパシタセル電流ｉｃが零になると、電圧均等化回路４ａ，４ｂには、Ｖ２とＩｏとの積の電力損失が発生するが、Ｖ２は２〜３Ｖであり、Ｉｏは数Ａにしているので、損失電力は数Ｗ程度である。
【００１８】
図７において、キャパシタセルＣ１の電圧が過電圧レベルＶ２に達すると、上述した電圧均等化回路が作動して、キャパシタセル電圧はＶ２に保たれる。更に充電を続けると、キャパシタセルＣ２の電圧も同様に電圧均等化回路の動作によってＶ２に達し、キャパシタセルＣ１，Ｃ２間の電圧のバラツキはほぼ零となる。
このようにして、直列接続される複数個のキャパシタセルの充電電圧はすべて同一のＶ２になる。
【００１９】
上記のように、全キャパシタセルの電圧を同一に揃えた後、正規の負荷電力の放充電を行う。放充電サイクル及び時間経過に伴ってキャパシタ電圧のバラツキは拡大して行くので、適当な時間経過後または適当な放充電サイクル回数の経過後に前述の均等充電を行って、キャパシタセル電圧のバラツキをほぼ零に補正する。
このような使い方をすれば、直列接続された複数個のキャパシタセルは過電圧にさらされることがないので、長寿命なキャパシタ電池を実現することができる。
【００２０】
そこで、本発明の課題は、直列接続された複数個のキャパシタセルすべてを均等に充電する際に、電気自動車の補助蓄電装置の電力、制動時の回生電力、ハイブリッド電気自動車における発電機の発生電力を利用するとともに、その充電を開始するキャパシタ電池の作動状態として、キャパシタセルの電圧値、充電作動時間、充放電サイクル回数等を考慮した電気自動車の電源システムを提供しようとするものである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、直列接続された複数個の電気二重層キャパシタセルは、外部電源によって小電力で充電可能であり、各セルに接続した電圧監視回路によってセル電圧を揃えれば、十分な充放電サイクル回数が得られること、また、電気自動車は補機用の補助蓄電装置を備えていること、回生制動によって回生電力が発生すること、ハイブリッド電気自動車はエンジン発電機を備えていること等に着目し、これらを有効利用するべくなされたものである。
【００２２】
すなわち、本発明では、電気二重層キャパシタ電池を主蓄電装置に使用してこの主蓄電装置を電源とする電気自動車では、補助蓄電装置からＤＣ−ＤＣコンバータを介して、または回生時に、車両駆動電動機用インバータを介してキャパシタセルのすべてをほぼ均一電圧に充電（以下これを全揃充電と称する）する。
また、主蓄電装置とエンジン発電機とを電源とするハイブリッド電気自動車では、エンジン発電機とコンバータとを介してキャパシタセルを全揃充電する。
更に、キャパシタセルの全揃充電を開始する際のキャパシタ電池の作動状態として、キャパシタセルの電圧値、充電作動時間、充放電サイクル回数等を考慮し、所定の充電電流または充電電力に従って充電するとともに、キャパシタセルの全数または設定個数の電圧が設定値に達するまで充電を行うものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示すもので、請求項１の発明の実施形態に相当する。この実施形態は、電気自動車の補助蓄電装置を電源にしてキャパシタセルを全揃充電するシステムであり、図５と同一の構成要素は同一の番号を付してある。
【００２４】
図１において、７０はキャパシタセル電圧全揃充電機能付双方向形ＤＣ−ＤＣコンバータ、７１は全揃充電指令回路である。４１ａ，４２ａ，４３ａ，……は、直列接続された各キャパシタセル４１，４２，４３，……にそれぞれ並列接続されたキャパシタセル電圧監視回路、４０はキャパシタ電池電圧監視回路である。
【００２５】
通常、双方向形ＤＣ−ＤＣコンバータ７０は、主蓄電装置４から補助蓄電装置８を充電する。
キャパシタセル４１，４２，４３，……の何れかの電圧が設定値（前述のＶ１に相当）に達すると、対応するキャパシタセル電圧監視回路４１ａ，４２ａ，４３ａ，……がセル電圧監視信号４０１，４０２，４０３，……をキャパシタ電池電圧監視回路４０に出力する。これらのセル電圧監視信号４０１，４０２，４０３，……から、キャパシタ電池電圧監視回路４０がキャパシタセル４１，４２，４３，……の全揃充電を必要とする状態であると判断すると、全揃充電指令信号４００ａがキャパシタ電池電圧監視回路４０から全揃充電指令回路７１に対して出力される。
【００２６】
全揃充電指令信号４００ａを受けた全揃充電指令回路７１からの指令に基づいて、双方向形ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、設定された充電電力になるように制御装置（図示せず）により制御し、補助蓄電装置８から主蓄電装置４を充電する。なお、充電に当たっては、充電電流が設定値になるように制御しても良い。
ここで、ＤＣ−ＤＣコンバータ７の制御は本発明の要旨ではないので、説明は省略する。
【００２７】
図２は、キャパシタセル電圧監視回路４１ａ，４２ａの構成を示す回路図であり、図１と同一の構成要素は同一の番号を付してある。４１ａ１，４２ａ１はツェナーダイオード、４１ａ２，４２ａ２はフォトダイオード、４１ａ３，４２ａ３はフォトトランジスタ、４１ａ４，４２ａ４はセル電圧監視信号４０１，４０２を出力する信号発生回路である。
【００２８】
まず、図２におけるキャパシタセル４１の電圧監視回路４１ａを例にとって説明する。図２において、キャパシタセル４１の電圧がツェナーダイオード４１ａ１のツェナー電圧（図８のＶ１に相当する電圧）に達すると、フォトダイオード４１ａ２に電流が流れて発光し、フォトトランジスタ４１ａ３をオンさせる。フォトトランジスタ４１ａ３のオンを受けて、信号発生回路４１ａ４はセル電圧監視信号４０１を出力する。
図２のキャパシタセル４２の電圧監視回路４２ａの動作も、上述した電圧監視回路４１ａと同じであるため、説明は省略する。
なお、図１はエンジン発電機を搭載したハイブリッド電気自動車を想定したものであるが、主蓄電装置を電源とする電気自動車にも同様に適用することができる。
【００２９】
次に、図３は本発明の第２実施形態であり、請求項２に記載した発明の実施形態に相当する。この実施形態は、電気自動車の回生制動時に、回生電力によって、インバータを介してキャパシタ電池を全揃充電する方式である。図３において、図１と同一の構成要素は同一番号を付してある。
【００３０】
図３において、５０はキャパシタセル全揃充電機能付インバータ、５１は全揃充電指令回路であり、キャパシタ電池電圧監視回路４０からの全揃充電指令信号４００ｂに基づき、全揃充電指令回路５１を介してインバータ５を全揃充電制御し、主蓄電装置４のキャパシタセルを全揃充電する。なお、電圧監視回路４１ａ，４２，４３ａの構成及び動作は第１実施形態と同様である。
この図３は、主蓄電装置を電源とする電気自動車を想定したものであるが、主蓄電装置とともにエンジン発電機を搭載したハイブリッド電気自動車にも、同様に適用することができる。
【００３１】
図４は本発明の第３実施形態である。この実施形態では、ハイブリッド電気自動車において、車載の発電機２により主蓄電装置を全揃充電するものである。なお、図１、図３と同一の構成要素は同一の番号を付してある。
【００３２】
図４において、３０はキャパシタセル全揃充電機能付コンバータ、３１は全揃充電指令回路であり、キャパシタ電池電圧監視回路４０からの全揃充電指令信号４００ｃに基づき、全揃充電指令回路３１を介してコンバータ３を全揃充電制御し、発電機２の発生電力を用いて主蓄電装置４のキャパシタセルを全揃充電する。
電圧監視回路４１ａ，４２，４３ａの構成及び動作は、第１実施形態、第２実施形態と同様である。
【００３３】
図４の実施形態はシリーズハイブリッド方式を示しているが、パラレルハイブリッド方式やシリーズ・パラレルハイブリッド方式においても、エンジンで駆動される発電機からコンバータを介してキャパシタ電池を充電するシステムに適用できることは勿論である。
【００３４】
次に、全揃充電の方法について、図１の実施形態を例にとって説明する。
図１のキャパシタ電池電圧監視回路４０は、キャパシタ電池の電圧値が設定値に達した場合、充電作動時間が設定値に達した場合、充放電サイクル回数が設定値に達した場合、または充電作動時間と充放電サイクル回数の合計が設定値に達した場合の何れかに、全揃充電指令信号を出力する。
このように、キャパシタ電池電圧監視回路４０が全揃充電指令信号を出力するタイミングに種々の態様があり、これらのそれぞれが請求項３〜６に記載した発明の実施形態に相当する。
【００３５】
また、図１における全揃充電指令回路７１は、全揃充電指令信号４００ａを受けて設定電力または設定電流でキャパシタ電池（主蓄電装置）を充電する。これらの態様が、請求項７，８に記載した発明の実施形態に相当する。
【００３６】
キャパシタセルの全揃充電動作により、キャパシタセル電圧は上昇するが、キャパシタセルの電圧は、前述のように不揃いとなる。この場合、高い電圧に充電されたキャパシタセルから、充電完了信号が出力される。
そして、充電が完了したキャパシタセルの数が設定値（全数または適宜な数）に達したら、キャパシタセルの全揃充電を完了する。これらの形態が、請求項１０及び１１に記載した発明の実施形態に相当する。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は、蓄電装置を電源とする電気自動車または蓄電装置とエンジン発電機とを電源とするハイブリッド電気自動車の主蓄電装置に、電気二重層キャパシタセルを複数直列接続したキャパシタ電池を採用してなる電源システムにおいて、何れかのキャパシタセル電圧が設定値に達したら、車載のＤＣ−ＤＣコンバータを介して補助蓄電装置を電源とし、またはインバータを介して回生制動電力を電源とするとともに、ハイブリッド電気自動車では、発電機を電源として小電力、小電流でキャパシタセルを全揃充電することにより、キャパシタセル電圧を常にほぼ均一にするシステムである。
【００３８】
このため、次の効果が期待される。
（１）直列接続されたキャパシタセルが過電圧になることがないので、電気自動車用の電池として安定に作動し、高い信頼性が得られる。
（２）電気自動車の主蓄電装置に電気二重層キャパシタ電池を適用することが可能になり、長寿命な電池を実現できるとともに、実用的な電気自動車及びハイブリッド電気自動車が実現可能となる。
（３）キャパシタ電池の全揃充電電源は、車両の走行に必要な機器を流用して行えるため、システムが低廉で実用的な電気自動車またはハイブリッド電気自動車を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す電気自動車の電源システムの構成図である。
【図２】図１におけるキャパシタセル電圧監視回路の構成を示す回路図である。
【図３】本発明の第２実施形態を示す電気自動車の電源システムの構成図である。
【図４】本発明の第３実施形態を示す電気自動車の電源システムの構成図である。
【図５】従来技術としてのシリーズハイブリッド電気自動車の電源システムを示す図である。
【図６】電気二重層キャパシタセルの等価回路図である。
【図７】電気二重層キャパシタセルの動作説明図である。
【図８】直列接続された電気二重層キャパシタセルの動作説明図である。
【符号の説明】
１エンジン
２発電機
３コンバータ
４主蓄電装置
５インバータ
６車両駆動電動機
７ＤＣ−ＤＣコンバータ
８補助蓄電装置
９補機
３０キャパシタセル全揃充電機能付コンバータ
３１全揃充電指令回路
４０キャパシタ電池電圧監視回路
４１，４２，４３電気二重層キャパシタセル
４１ａ，４２ａ，４３ａキャパシタセル電圧監視回路
４１ａ１，４２ａ１ツェナーダイオード
４１ａ２，４２ａ２フォトダイオード
４１ａ３，４２ａ３フォトトランジスタ
４１ａ４，４２ａ４セル電圧監視信号発生回路
５０キャパシタセル全揃充電機能付インバータ
５１全揃充電指令回路
７０キャパシタセル全揃充電機能付双方向形ＤＣ−ＤＣコンバータ
７１全揃充電指令回路
４００ａ，４００ｂ，４００ｃ全揃充電指令信号
４０１，４０２，４０３セル電圧監視信号

Claims

電気二重層キャパシタセルを複数個直列接続したキャパシタ電池により構成される車載の主蓄電装置と、
車載のエンジン発電機または前記主蓄電装置の電力によりインバータを介して駆動される車両駆動電動機と、
補機用の補助蓄電装置と、
前記主蓄電装置と前記補助蓄電装置との間に接続されて一方の蓄電装置の電力により他方の蓄電装置を充電するための双方向形ＤＣ−ＤＣコンバータと、
を備えた電気自動車において、
何れかのキャパシタセルが第一の作動状態に達したときに、すべてのキャパシタセルをほぼ均一に充電する全揃充電を行うための全揃充電指令信号を出力するキャパシタ電池電圧監視回路と、
前記全揃充電指令信号が入力されたときに、前記補助蓄電装置の電力により前記全揃充電を行うための指令を前記ＤＣ−ＤＣコンバータに出力する全揃充電指令回路と、
を備えたことを特徴とする電気自動車の電源システム。
電気二重層キャパシタセルを複数個直列接続したキャパシタ電池により構成される車載の主蓄電装置と、
車載のエンジン発電機または前記主蓄電装置の電力によりインバータを介して駆動される車両駆動電動機と、
を備えた電気自動車において、
何れかのキャパシタセルが第一の作動状態に達したときに、すべてのキャパシタセルをほぼ均一に充電する全揃充電を行うための全揃充電指令信号を出力するキャパシタ電池電圧監視回路と、
前記全揃充電指令信号が入力されたときに、前記インバータを介した車両の回生電力により前記全揃充電を行うための指令を前記インバータに出力する全揃充電指令回路と、
を備えたことを特徴とする電気自動車の電源システム。
ことを特徴とする電気自動車の電源システム。
請求項１または２記載の電気自動車の電源システムにおいて、
第一の作動状態は、キャパシタセルの電圧が設定値に達した状態であることを特徴とする電気自動車の電源システム。
請求項１または２記載の電気自動車の電源システムにおいて、
第一の作動状態は、キャパシタセルの充電作動時間が設定値に達した状態であることを特徴とする電気自動車の電源システム。
請求項１または２記載の電気自動車の電源システムにおいて、
第一の作動状態は、キャパシタセルの充放電サイクル回数が設定値に達した状態であることを特徴とする電気自動車の電源システム。
請求項１または２記載の電気自動車の電源システムにおいて、
第一の作動状態は、キャパシタセルの充電作動時間及び充放電サイクル回数がそれぞれ設定値に達した状態であることを特徴とする電気自動車の電源システム。
請求項１，２，３，４，５または６記載の電気自動車の電源システムにおいて、
キャパシタ電池の充電手段は、充電電流が設定値になるように制御する手段であることを特徴とする電気自動車の電源システム。
請求項１，２，３，４，５または６記載の電気自動車の電源システムにおいて、
キャパシタ電池の充電手段は、充電電力が設定値になるように制御する手段であることを特徴とする電気自動車の電源システム。