JP3794933B2 - 電源装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源から負荷に電力を供給するための電源装置に関し、特に、バッテリーからモーター（直流モーター）に電力を供給する際に用いられる電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、電源から負荷に電力を供給する際には電源装置が用いられており、電源装置から負荷に供給される電力量（単位時間当たりに消費される電力）は、負荷の状態に応じて異なる。例えば、負荷としてモーターを例に上げると、モーターの加速時（例えば、始動時）には、電源装置からモーターに対して大電力が供給され、定常状態においては、電源装置からモーターに供給される電力は少ない（つまり、小電力である）。言い換えると、電源装置は、モーター等の負荷に対してその最大消費電力を供給できる能力を有している必要がある。
【０００３】
ところで、電気自動車（例えば、フォークリフト）等では、バッテリーを電源装置として用いており、前述のように、加速時等におけるモーターの最大消費電力を考慮すると、バッテリーの容量を極めて大きくする必要がある。ところが、バッテリーの容量を大きくすると、不可避的にバッテリー自体が大型化してしまい、フォークリフト等にバッテリーへを搭載することが難しくなってしまう。
【０００４】
上述のような不具合を防止するため、例えば、特開平６−２７０６９５号公報に記載された電力供給装置が知られている（以下特開平６−２７０６９５号公報に記載された電力供給装置を従来例と呼ぶ）。
【０００５】
従来例では、バッテリーに対してコンデンサー（キャパシター）を並列に接続するとともに、例えば、パルス幅調整コントローラーを直流モーターとキャパシターとの間に直列に接続しており、制御入力に応じて電源（バッテリー）のパルス幅を調整するようにしている。
【０００６】
具体的には、従来例では、バッテリーとキャパシターとを並列に接続して、バッテリー及びキャパシターの内部抵抗値を予め規定された関係に設定し、直流モーターの必要最大電力をキャパシターによって満たして、その分、バッテリーの必要最大電力を小さくしている。
【０００７】
このように、従来例では、バッテリーに並列に接続されたキャパシターによって直流モーターの必要最大電力を満たし、バッテリーでは通常の作動モードでキャパシターを充電している。そして、上述のように、バッテリー及びキャパシターの内部抵抗値を予め規定された関係に設定することによって、回生電流はキャパシターを充電することになるから、回生電流によってバッテリーが損傷することもないとしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来例では、バッテリーとキャパシターとを並列に接続して、バッテリー及びキャパシターの内部抵抗値を予め規定された関係に設定し、キャパシターによって直流モーターの必要最大電力を満たしているものの、従来例では、バッテリーとキャパシターとが直接的に並列に接続されているため、バッテリーとキャパシターとの内部抵抗に起因する電圧降下の差が小さく、大電流放電特性を得るためには、キャパシターの容量を大きくしなければならないという問題点がある。
【０００９】
加えて、キャパシターへの充電電流は、電力供給装置の内部インピーダンスと直流モーターの回転数とに基づいて決定されることを考えると、従来例の場合、直流モーターの回転数によっては、無制限に、つまり、過大な回生電流がキャパシターに印加されてしまい、キャパシターが損傷してしまうという問題点がある。
【００１０】
本発明の第１の目的は、バッテリー等の電源の容量を少なくして、しかもキャパシターの容量が小さくても所望の必要最大電力を負荷に供給することのできる電源装置を提供することにある。
【００１１】
本発明の第２の目的は、回生動作の際バッテリー等の電源へ過大電流が流入することを抑制するとともキャパシターへ損傷を与えることのない電源装置を提供することにある。
【００１２】
本発明の第３の目的は、高い効率で回生電流、つまり、回生エネルギーを回収することのできる電源装置を提供することにある。
【００１３】
本発明の第４の目的は、フォークリフト等の電気自動車に搭載される小型の電源装置に提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、電源から負荷に対して電力を供給する際に用いられる電源装置であって、前記電源を補助するためキャパシターと、前記電源と前記キャパシターとの間に挿入され前記キャパシターの充放電の際充電経路及び放電経路を規定して前記電源と前記キャパシターとに印加される電流電圧を調整する変換手段と、前記負荷に流れる電流を制御するコントローラーとを有する電源装置において、
前記変換手段は、前記制御信号に基づいて前記キャパシターを選択的に前記放電経路又は前記充電経路に接続するスイッチ手段と、前記放電経路又は前記充電経路に配置されたインダクター部とを有し、
前記インダクター部は第１及び第２のインダクターを備えており、前記スイッチ手段は、前記モーターが駆動制御される際前記キャパシターからの放電電流を前記第１のインダクターを介して前記電源に与え、前記モーターが回生制動される際前記モーターからの回生電流を前記第２のインダクターを介して前記キャパシターに与えるようにしたことを特徴とする電源装置が得られる。
【００１５】
例えば、前記負荷はモーターであり、前記コントローラーは制御指令又は制動指令に基づいて前記モーターの駆動制御又は回生制動を行う。そして、前記変換手段は、前記モーターが駆動制御されている際前記キャパシターを前記放電経路に接続し、前記モーターが回生制動されている際前記キャパシターを前記充電経路に接続する。つまり、前記変換手段は、前記コントローラーからの制御信号に基づいて前記キャパシターを選択的に前記放電経路又は前記充電経路に接続する。
【００１６】
本発明は、前記変換手段は、前記制御信号に基づいて前記キャパシターを選択的に前記放電経路又は前記充電経路に接続するスイッチ手段と、前記放電経路又は前記充電経路に配置されたインダクター部とを有している。例えば、前記スイッチ手段は、第１及び第２のスイッチング素子を有し、該第１及び該第２のスイッチング素子の各々はトランジスターと該トランジスターのコレクターに陽極が接続されエミッタに陰極が接続されたダイオードとを備えており、前記第１のスイッチング素子のエミッタと前記第２のスイッチング素子のコレクターとが接続されて前記電源に並列に接続されており、前記第１及び前記第２のスイッチング素子の接続点に前記インダクター部を介して前記キャパシターが接続され、前記キャパシターは前記第２のスイッチング素子と並列に接続されている。そして、前記コントローラーは前記モーターを駆動制御する際前記第２のスイッチング素子に前記制御信号を与え、前記モーターを回生制動する際前記第１のスイッチング素子に前記制御信号を与える。
【００１７】
さらに、前記スイッチ手段は、第１乃至第４のスイッチング素子を有し、該第１乃至該第４のスイッチング素子の各々はトランジスターと該トランジスターのコレクターに陽極が接続されエミッタに陰極が接続されたダイオードとを備えており、前記第１のスイッチング素子のエミッタと前記第２のスイッチング素子のコレクターとが接続されて前記第２のスイッチング素子のエミッタが前記電源に接続され、前記キャパシターが前記第１及び前記第２のスイッチング素子の直列回路に並列に接続されており、前記第３のスイッチング素子のエミッタと前記第４のスイッチング素子のコレクターとが接続されて前記電源に並列に接続されており、前記第１及び前記第２のスイッチング素子の接続点と前記第３及び前記第４のスイッチング素子の接続点との間に前記インダクター部が挿入されるようにしてもよい。この際には、前記コントローラーは前記モーターを駆動制御する際前記第１のスイッチング素子をオン状態とするとともに前記第４のスイッチング素子に前記制御信号を与え、前記モーターを回生制動する際前記第３のスイッチング素子をオン状態とするとともに前記第２のスイッチング素子に前記制御信号を与える。
【００１８】
また本発明は、インダクター部が第１及び第２のインダクターを備え、前記スイッチ手段は、前記モーターが駆動制御される際前記キャパシターからの放電電流を前記第１のインダクターを介して前記電源に与え、前記モーターが回生制動される際前記モーターからの回生電流を前記第２のインダクターを介して前記キャパシターに与えるようにしてよい。例えば、前記スイッチ手段は、第１及び第２のスイッチング素子を有し、該第１及び該第２のスイッチング素子の各々はトランジスターと該トランジスターのコレクターに陽極が接続されエミッタに陰極が接続されたダイオードとを備えており、前記電源は前記第１のインダクターに直列に接続され該第１のインダクターには第１のダイオードが直列に接続されており、前記第１のスイッチング素子のコレクターと前記電源が接続され前記第１のスイッチング素子のエミッタが前記第２のインダクターを介して前記キャパシターに接続されており、前記キャパシターと前記第１のダイオードが接続されるとともに前記第１のインダクターと前記第１のダイオードとの第１の接続点と前記第２のインダクターと前記キャパシターとの第２の接続点との間には前記第２のスイッチング素子がそのエミッタを前記第１の接続点に接続されそのコレクターが前記第２の接続点に接続されて挿入されており、前記第１のダイオードはその陽極が前記第１のコイルに接続されている。この際、前記第２のインダクターと前記キャパシターとが直列に接続された直列回路に第２のダイオードを並列に接続して、前記第２のダイオードの陽極を前記第２のインダクターに接続するようにしてもよい。この場合には、前記コントローラーは前記モーターを駆動制御する際前記第２のスイッチング素子に前記制御信号を与え、前記モーターを回生制動する際前記第１のスイッチング素子に前記制御信号を与える。なお、前記制御信号は、例えば、パルス幅変調信号である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下本発明について実施の形態に基づいて説明する。なお、この実施の形態では、電源としてバッテリーを用い、負荷として直流モーターを用いた電源装置について説明するが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。又、本実施の形態に記載する製品の寸法、形状、構成、その相対配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２０】
図１を参照して、図示の電源装置では、電源としてバッテリー１１が用いられており、バッテリー１１はコントローラー１２に接続されるとともに電流電圧変換器１３に接続されている。図示のように、コントローラー１２には直流モーター１４が接続されている。さらに、キャパシター１５が電流電圧変換器１３に接続されるとともにコントローラー１２に接続されている。なお、図示されていないが、コントローラー１２には、例えば、制御操作部（制御レバー等）が接続されており、この制御操作部を操作することによって、コントローラー１２を介して直流モーター１４が駆動制御される。
【００２１】
図示の例では、バッテリー１１とキャパシター１５との間に電流電圧変換器１３が配置されており、後述するように、電流電圧変換器１３は、充放電の際、バッテリー１１とキャパシター１５に加わる電流電圧を調整する。
【００２２】
ここで、図２を参照して、図２は図１に示す電源装置の具体的な一例（第１の例）であり、図示の例では、電流電圧変換器１３はスイッチング素子である絶縁ゲートバイポーラ半導体素子（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ ＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：スイッチング素子）１３ａ及び１３ｂと及びコイル（インダクター）１３ｃを備えている。そして、スイッチング素子１３ａのエミッタは接続点Ａでスイッチング素子１３ｂのコレクターに接続されている。なお、スイッチング素子は、図示のように、トランジスターとダイオードとで表され、トランジスターのコレクターにダイオードの陽極（アノード）が接続され、トランジスターのエミッタにダイオードの陰極（カソード）が接続されている。以下の説明では、スイッチング素子がオンするとは、そのトランジスターがオンしている状態を意味し、オフするとは、そのトランジスターがオフしている状態を意味するものとする。
【００２３】
上記の接続点Ａにはインダクター１３ｃが接続され、このインダクター１３ｃはキャパシター１５に接続されており、さらにキャパシター１５はバッテリー電源ライン（負側電源ライン）１１ａに接続されている。また、スイッチング素子１３ａのコレクターはバッテリー電源ライン（正側電源ライン）１１ｂに接続され、スイッチング素子１３ｂのエミッタは負側電源ライン１１ａに接続されている。
【００２４】
いま、直流モーター１４を駆動（始動）する際には、制御操作部からコントローラー１２に駆動指令が与えられる。この駆動指令に応答して、コントローラー１２では、モーター電源ライン１４ａ及び１４ｂをそれぞれバッテリー電源ライン１１ａ及び１１ｂに接続する。この際、コントローラー１２は、スイッチング素子１３ｂのゲートに制御信号（スイッチ信号）を送る。この制御信号は、例えば、パルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）であり、このＰＷＭ信号に応じて、つまり、パルス幅に応じて、スイッチング素子１３ｂはオンオフ制御されることになる。一方、スイッチング素子１３ａには制御信号は与えられず、その結果、スイッチング素子１３ａはオフとなっている。スイッチング素子１３ｂがオンオフ制御される前の状態では、キャパシター１５に蓄えられた電荷（キャパシター１５からの電流）はインダクター１３ｃに流れない。つまり、キャパシター１５は放電しない。スイッチング素子１３ｂがオンオフ制御されると、このオンオフ制御に応じてインダクター１３ｃは電流が流れる。これによって、キャパシター１５からインダクター１３ｃ及びスイッチング素子１３ａ（ダイオードの部分）を介してバッテリー電源ライン１１ｂに達する電流路が形成され、キャパシター１５に蓄積された電荷が電流としてバッテリー電源ライン１１ｂに供給される。
【００２５】
直流モーター１４の始動時には、大電流が必要となり（一般には直流モーター１４の必要最大電流が必要となる）、上述のように、スイッチング素子１３ｂがオンオフ制御されると、キャパシター１５に蓄積された電荷がインダクター１３ｃ及びスイッチング素子１３ａ（ダイオード部分）を介して放電され、電流（以下この電流をキャパシター電流と呼ぶ）としてバッテリー電源ライン１１ｂに供給される。
【００２６】
一方、バッテリー１１からは電源ライン１１ａ及び１１ｂを介して電流（以下この電流をバッテリー電流と呼ぶ）が供給されており、前述のキャパシター電流とバッテリー電流とが合流してモーター電流としてコントローラー１２から直流モーター１４に供給される。
【００２７】
直流モーター１４の始動後所定の時間が経過すると、つまり、過渡状態から定常状態となると、バッテリー１１のみからモーター電流が供給されることになる。つまり、バッテリー電流に応じてモーター電流が直流モーター１４に供給されることになる。
【００２８】
一例として、フォークリフトを例に上げると、制御操作部からコントローラー１２に制御指令が与えられており、コントローラー１２では、この制御指令に基づいてモーター電流を調整する。フォークリフトにかかる負荷が少ないときには、つまり、直流モーター１４にかかる負荷が少ないときには、モーター電流は小さく制御され、一方、直流モーター１４にかかる負荷が大きいときには、モーター電流は大きくなる。そして、モーター電流がバッテリー電流を越えると、再び、キャパシター１５に蓄積された電荷がインダクター１３ｃ及びスイッチング素子１３ａを介して放電され、キャパシター電流としてバッテリー電源ライン１１ｂに供給されることになる。
【００２９】
ところで、図示の例では、例えば、フォークリフトを制動する際には、つまり、直流モーター１４を制動する際には、所謂回生制動を用いており、制御操作部から制動指令が与えられると、コントローラー１２は直流モーター１４が発電機として動作するように結線を切り換えるとともに、スイッチング素子１３ａのゲートに制御信号（ＰＷＭ信号）を送り、スイッチング素子１３ｂへの制御信号の送出を停止する。この結果、スイッチング素子１３ａはパルス幅に応じてオンオフ制御され、スイッチング素子１３ｂはオフ状態となる。
【００３０】
スイッチング素子１３ａがオンオフ制御されると、直流モーター１４からの電流、つまり、回生電流はスイッチング素子１３ａ及びインダクター１３ｃを介してキャパシター１５に与えられ、回生電流によってキャパシター１５が充電されることになる。
【００３１】
上述のように、図２に示す例では、スイッチング素子１３ａ及び１３ｂを備えて、これらスイッチング素子１３ａ及び１３ｂの接続点Ａがインダクター１３ｃを介してキャパシター１５に接続し、充放電の際、スイッチング素子１３ａ及び１３ｂを選択的にＰＷＭ制御するようにしたから、回生電流を効率的にキャパシター１５に蓄積できるばかりでなく、バッテリー１１へ過大な電流が加わることを抑制できる。
【００３２】
さらに、インダクター１３ｃを介して接続点Ａにキャパシター１５が接続されている結果、過大な電流がキャパシター１５に印加されることがなく、キャパシター１５の損傷を防止することができる。
【００３３】
加えて、キャパシター１５からの放電によって、バッテリー電力を補っているから、バッテリーの容量を少なくして、所望の必要最大電力を負荷に供給することのでき、その結果、バッテリー自体が小さくなるから、電源装置自体を小型化できる。
【００３４】
次に、図３を参照して、図３は図１に示す電源装置の具体的な他の（第２の例）であり、図示の例では、電流電圧変換器１３は、図２に示したスイッチング素子１３ａ及び１３ｂとインダクター１３ｃの他に、スイッチング素子１３ｄ及び１３ｅ備えている。そして、スイッチング素子１３ｄのエミッタは接続点Ｂでスイッチング素子１３ｅのコレクターに接続されている。
【００３５】
図３に示す例では、接続点Ａと接続点Ｂとの間にインダクター１３ｃが接続されており、キャパシター１５はスイッチング素子１３ａのコレクターとバッテリー電源ライン１１ａに接続されている。そして、スイッチング素子１３ｂのエミッタはバッテリー電源ライン１１ａに接続され、スイッチング素子１３ｄのコレクターはバッテリー電源ライン１１ｂに、スイッチング素子１３ｅのエミッタはバッテリー電源ライン１１ａに接続されている。
【００３６】
図３に示す電源装置では、直流モーター１４を始動する際には、コントローラー１２によってスイッチング素子１３ａがオンとされ、スイッチング素子１３ｅに制御信号（ＰＷＭ信号）が与えられて、スイッチング素子１３ｅがパルス幅に応じてオンオフ制御される。なお、スイッチング素子１３ｂ及び１３ｄはオフとされる。
【００３７】
スイッチング素子１３ｅがオンオフ制御されると、インダクター１３ｃに電流が流れ、キャパシター１５に蓄積された電荷がスイッチング素子１３ａ（トランジスター部分）、インダクター１３ｃ、及びスイッチング素子１３ｄ（ダイオード部分）を介して放電され、キャパシター電流がバッテリー電源ライン１１ｂに供給される。また、前述のように、バッテリー１１からは電源ライン１１ａ及び１１ｂを介してバッテリー電流が供給されることになる。
【００３８】
そして、制御操作部から与えられる制御指令に応じてコントローラー１２はモーター電流を制御することになる。この際、モーター電流がバッテリー電流を越えると、再び、キャパシター１５に蓄積された電荷がキャパシター電流としてバッテリー電源ライン１１ｂに供給されることになる。
【００３９】
制御操作部から制動指令が与えられると、図２で説明したように、コントローラー１２は直流モーター１２が発電機として動作するように結線を切り換えるとともに、スイッチング素子１３ｂのゲートに制御信号（ＰＷＭ信号）を送り、スイッチング素子１３ｄをオンとする。この際、コントローラー１２はスイッチング素子１３ａ及び１３ｅをオフとする。この結果、スイッチング素子１３ｂはパルス幅に応じてオンオフ制御されることになる。
【００４０】
スイッチング素子１３ｂがオンオフ制御される結果、直流モーター１４からの電流、つまり、回生電流はスイッチング素子１３ｄ（トランジスター部分）、インダクター１３ｃ、及びスイッチング素子１３ａ（ダイオード部分）を介してキャパシター１５に与えられ、回生電流によってキャパシター１５が充電されることになる。
【００４１】
このように、図３に示す例では、スイッチング素子１３ａ、１３ｂ、１３ｄ、及び１３ｅを備えて、接続点Ａ及びＢ間にインダクター１３ｃを接続し、さらに、スイッチング素子１３ａのコレクター及びバッテリー電源ライン１１ａにキャパシター１５を接続しており、そして、キャパシター１５の放電の際、スイッチング素子１３ａをオン状態とするとともにスイッチング素子１３ｅをＰＷＭ制御し、充電の際、スイッチング素子１３ｂをＰＷＭ制御するとともにスイッチング素子１３ｄをオン状態とするようにしたから、図２に示す電源装置と同様な利点があるばかりでなく、キャパシター充電電流がバッテリー１１に制約されず、その結果、キャパシターの容量を小さくできる。
【００４２】
さらに、図４を参照して、図４は図１に示す電源装置の具体的なさらに他の（第３の例）であり、図示の例では、電流電圧変換器１３は、図２に示したスイッチング素子１３ａ及び１３ｂとインダクター１３ｃの他に、インダクター１３１及びダイオード１３２及び１３３を備えている。
【００４３】
図４に示す例では、バッテリー１１に直列にインダクター１３１が接続され、インダクター１３１はダイオード１３２の陽極に接続されている。そして、ダイオード１３２の陰極はバッテリー電源ライン１１ａに接続されている。さらに、インダクター１３１はスイッチング素子１３ｂのエミッタに接続されている。
【００４４】
さらに、スイッチング素子１３ａがバッテリー電源ライン１１ｂに挿入されており、スイッチング素子１３ａはそのコレクターが直流モーター側に位置している。スイッチング素子１３ａのエミッタはインダクター１３ｃに接続され、インダクター１３ｃにはキャパシター１５が接続されている。そして、キャパシター１５はバッテリー電源ライン１１ａに接続されている。
【００４５】
スイッチング素子１３ｂのコレクターは、図示のように、キャパシター１５とインダクター１３ｃとの接続点Ｃに接続されており、インダクター１３ｃとキャパシター１５とで構成される直列回路に並列にダイオード１３３が接続されている。なお、ダイオード１３３はその陽極側がインダクター１３ｃに接続されている。また、図示の例では、バッテリー電源ライン１１ａ及び１１ｂ間にキャパシター１６が挿入されている。
【００４６】
図４に示す電源装置では、直流モーター１４を始動する際には、コントローラー１２によってスイッチング素子１３ｂに制御信号（ＰＷＭ信号）が与えられて、スイッチング素子１３ｂがパルス幅に応じてオンオフ制御される。一方、スイッチング素子１３ａはオフとされる。
【００４７】
スイッチング素子１３ｂのオンオフ制御によって、インダクター１３１に電流が流れ、キャパシター１５に蓄積された電荷がスイッチング素子１３ｂ（トランジスター部分）及びインダクター１３１を介して放電され、キャパシター電流がバッテリー電流とともにバッテリー電源ライン１１ｂに供給される。そして、直流モーター１４、ダイオード１３２、インダクター１３１、及びバッテリー１１に至る閉回路が形成されて、直流モーター１４に電流が流れる。
【００４８】
図２で説明したように、制御操作部から与えられる制御指令に応じてコントローラー１２はモーター電流を制御することになる。この際、モーター電流がバッテリー電流を越えると、再び、キャパシター１５に蓄積された電荷がキャパシター電流としてバッテリー電源ライン１１ｂに供給されることになる。
【００４９】
一方、制御操作部から制動指令が与えられると、図２で説明したように、コントローラー１２は直流モーター１２が発電機として動作するように結線を切り換えるとともに、スイッチング素子１３ａのゲートに制御信号（ＰＷＭ信号）を送り、スイッチング素子１３ｂをオフとする。この結果、スイッチング素子１３ａはパルス幅に応じてオンオフ制御されることになる。
【００５０】
スイッチング素子１３ａがオンオフ制御されると、インダクター１３ｃに電流が流れ、直流モーター１４からの電流、つまり、回生電流はスイッチング素子１３ａ（トランジスター部分）及びインダクター１３ｃを介してキャパシター１５に与えられ、回生電流によってキャパシター１５が充電されることになる。この際、インダクター１３ｃに蓄積されたエネルギーが電流としてキャパシター１５、ダイオード１３３、およびインダクター１３ｃを通って流れ、これによってもキャパシター１５が充電されることになる。
【００５１】
このように、図４に示す例では、キャパシター１５が放電する際には、インダクター１３１を通る経路で電流を流し、キャパシター１５を充電する際には、インダクター１３ｃを通る経路で電流を流すようにしたから、つまり、放電回路と充電回路とが独立しているから、放電特性及び充電特性を別々に設定できるばかりでなく、キャパシター１５の充放電を切り換える際の応答を素早くすることができる。そして、図４に示す例では、図２に示す電源装置と同様な利点もある。
【００５２】
さらに、上述の図２乃至図４で説明した例のいずれについても、直流モーター１４を駆動制御する際、キャパシター１５からの放電電流を補助的に用いているから、バッテリー１１は予め規定された負荷条件近傍で使用されることになり、その結果、バッテリー１１の寿命を長期化することが可能となる。また、例えば、フォークリフトにおいて、急加速又は高負荷作業時におけるバッテリーの電圧降下がキャパシターの放電で補助されるから、加速性能等を良好にすることができる。
【００５３】
なお、第１乃至第３の例にあげたキャパシター１３ｃとして、例えば、電気二重層コンデンサを用いることが望ましい。電気二重層コンデンサはエネルギー密度が高く、このため、回生エネルギーを効率的に回収することができる。
【００５４】
上述の例では、スイッチング素子としてスイッチング素子を用いたが、他のスイッチング素子を用いても同様にして本発明を適用することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、充放電用キャパシター（補助キャパシター）とバッテリーとの間に電流電圧変換器を配置するようにしたから、バッテリー等の電源の容量を少なくして、所望の必要最大電力を負荷に供給することができるという効果がある。
【００５６】
さらに、本発明では、回生動作の際バッテリー等の電源へ過大電流が流入することを抑制できるばかりでなくキャパシターに損傷を与えることがほとんどなく、高い効率で回生電流、つまり、回生エネルギーを回収することのできるという効果もある。
【００５７】
加えて、本発明による電源装置では、キャパシター充電電流がバッテリー等の電源に制約されず、その結果、キャパシターの容量を小さくできる。
【００５８】
また、本発明による電源装置では、キャパシターからの放電によって、バッテリー電力を補っているから、バッテリーの容量を少なくして、所望の必要最大電力を負荷に供給することのでき、その結果、バッテリー自体が小さくなるから、電源装置自体を小型化できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による電源装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】 図１に示す電源装置の第１の例を示す回路図である。
【図３】 図１に示す電源装置の第２の例を示す回路図である。
【図４】 図１に示す電源装置の第３の例を示す回路図である。
【符号の説明】
１１ バッテリー
１１ａ、１１ｂ バッテリー電源ライン
１２ コントローラー
１３ 電流電圧変換器
１３ａ、１３ｂ、１３ｄ、１３ｅ スイッチング素子
１３ｃ、１３１ コイル（インダクター）
１３２、１３３ ダイオード
１４ 直流モーター
１４ａ、１４ｂ モーター電源ライン
１５ キャパシター
１６ コンデンサー（キャパシター）
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源から負荷に電力を供給するための電源装置に関し、特に、バッテリーからモーター（直流モーター）に電力を供給する際に用いられる電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、電源から負荷に電力を供給する際には電源装置が用いられており、電源装置から負荷に供給される電力量（単位時間当たりに消費される電力）は、負荷の状態に応じて異なる。例えば、負荷としてモーターを例に上げると、モーターの加速時（例えば、始動時）には、電源装置からモーターに対して大電力が供給され、定常状態においては、電源装置からモーターに供給される電力は少ない（つまり、小電力である）。言い換えると、電源装置は、モーター等の負荷に対してその最大消費電力を供給できる能力を有している必要がある。
【０００３】
ところで、電気自動車（例えば、フォークリフト）等では、バッテリーを電源装置として用いており、前述のように、加速時等におけるモーターの最大消費電力を考慮すると、バッテリーの容量を極めて大きくする必要がある。ところが、バッテリーの容量を大きくすると、不可避的にバッテリー自体が大型化してしまい、フォークリフト等にバッテリーへを搭載することが難しくなってしまう。
【０００４】
上述のような不具合を防止するため、例えば、特開平６−２７０６９５号公報に記載された電力供給装置が知られている（以下特開平６−２７０６９５号公報に記載された電力供給装置を従来例と呼ぶ）。
【０００５】
従来例では、バッテリーに対してコンデンサー（キャパシター）を並列に接続するとともに、例えば、パルス幅調整コントローラーを直流モーターとキャパシターとの間に直列に接続しており、制御入力に応じて電源（バッテリー）のパルス幅を調整するようにしている。
【０００６】
具体的には、従来例では、バッテリーとキャパシターとを並列に接続して、バッテリー及びキャパシターの内部抵抗値を予め規定された関係に設定し、直流モーターの必要最大電力をキャパシターによって満たして、その分、バッテリーの必要最大電力を小さくしている。
【０００７】
このように、従来例では、バッテリーに並列に接続されたキャパシターによって直流モーターの必要最大電力を満たし、バッテリーでは通常の作動モードでキャパシターを充電している。そして、上述のように、バッテリー及びキャパシターの内部抵抗値を予め規定された関係に設定することによって、回生電流はキャパシターを充電することになるから、回生電流によってバッテリーが損傷することもないとしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来例では、バッテリーとキャパシターとを並列に接続して、バッテリー及びキャパシターの内部抵抗値を予め規定された関係に設定し、キャパシターによって直流モーターの必要最大電力を満たしているものの、従来例では、バッテリーとキャパシターとが直接的に並列に接続されているため、バッテリーとキャパシターとの内部抵抗に起因する電圧降下の差が小さく、大電流放電特性を得るためには、キャパシターの容量を大きくしなければならないという問題点がある。
【０００９】
加えて、キャパシターへの充電電流は、電力供給装置の内部インピーダンスと直流モーターの回転数とに基づいて決定されることを考えると、従来例の場合、直流モーターの回転数によっては、無制限に、つまり、過大な回生電流がキャパシターに印加されてしまい、キャパシターが損傷してしまうという問題点がある。
【００１０】
本発明の第１の目的は、バッテリー等の電源の容量を少なくして、しかもキャパシターの容量が小さくても所望の必要最大電力を負荷に供給することのできる電源装置を提供することにある。
【００１１】
本発明の第２の目的は、回生動作の際バッテリー等の電源へ過大電流が流入することを抑制するとともキャパシターへ損傷を与えることのない電源装置を提供することにある。
【００１２】
本発明の第３の目的は、高い効率で回生電流、つまり、回生エネルギーを回収することのできる電源装置を提供することにある。
【００１３】
本発明の第４の目的は、フォークリフト等の電気自動車に搭載される小型の電源装置に提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、電源から負荷に対して電力を供給する際に用いられる電源装置であって、前記電源を補助するためキャパシターと、前記電源と前記キャパシターとの間に挿入され前記キャパシターの充放電の際充電経路及び放電経路を規定して前記電源と前記キャパシターとに印加される電流電圧を調整する変換手段と、前記負荷に流れる電流を制御するコントローラーとを有する電源装置において、
前記変換手段は、前記制御信号に基づいて前記キャパシターを選択的に前記放電経路又は前記充電経路に接続するスイッチ手段と、前記放電経路又は前記充電経路に配置されたインダクター部とを有し、
前記インダクター部は第１及び第２のインダクターを備えており、前記スイッチ手段は、前記モーターが駆動制御される際前記キャパシターからの放電電流を前記第１のインダクターを介して前記電源に与え、前記モーターが回生制動される際前記モーターからの回生電流を前記第２のインダクターを介して前記キャパシターに与えるようにしたことを特徴とする電源装置が得られる。
【００１５】
例えば、前記負荷はモーターであり、前記コントローラーは制御指令又は制動指令に基づいて前記モーターの駆動制御又は回生制動を行う。そして、前記変換手段は、前記モーターが駆動制御されている際前記キャパシターを前記放電経路に接続し、前記モーターが回生制動されている際前記キャパシターを前記充電経路に接続する。つまり、前記変換手段は、前記コントローラーからの制御信号に基づいて前記キャパシターを選択的に前記放電経路又は前記充電経路に接続する。
【００１６】
本発明は、前記変換手段は、前記制御信号に基づいて前記キャパシターを選択的に前記放電経路又は前記充電経路に接続するスイッチ手段と、前記放電経路又は前記充電経路に配置されたインダクター部とを有している。例えば、前記スイッチ手段は、第１及び第２のスイッチング素子を有し、該第１及び該第２のスイッチング素子の各々はトランジスターと該トランジスターのコレクターに陽極が接続されエミッタに陰極が接続されたダイオードとを備えており、前記第１のスイッチング素子のエミッタと前記第２のスイッチング素子のコレクターとが接続されて前記電源に並列に接続されており、前記第１及び前記第２のスイッチング素子の接続点に前記インダクター部を介して前記キャパシターが接続され、前記キャパシターは前記第２のスイッチング素子と並列に接続されている。そして、前記コントローラーは前記モーターを駆動制御する際前記第２のスイッチング素子に前記制御信号を与え、前記モーターを回生制動する際前記第１のスイッチング素子に前記制御信号を与える。
【００１７】
さらに、前記スイッチ手段は、第１乃至第４のスイッチング素子を有し、該第１乃至該第４のスイッチング素子の各々はトランジスターと該トランジスターのコレクターに陽極が接続されエミッタに陰極が接続されたダイオードとを備えており、前記第１のスイッチング素子のエミッタと前記第２のスイッチング素子のコレクターとが接続されて前記第２のスイッチング素子のエミッタが前記電源に接続され、前記キャパシターが前記第１及び前記第２のスイッチング素子の直列回路に並列に接続されており、前記第３のスイッチング素子のエミッタと前記第４のスイッチング素子のコレクターとが接続されて前記電源に並列に接続されており、前記第１及び前記第２のスイッチング素子の接続点と前記第３及び前記第４のスイッチング素子の接続点との間に前記インダクター部が挿入されるようにしてもよい。この際には、前記コントローラーは前記モーターを駆動制御する際前記第１のスイッチング素子をオン状態とするとともに前記第４のスイッチング素子に前記制御信号を与え、前記モーターを回生制動する際前記第３のスイッチング素子をオン状態とするとともに前記第２のスイッチング素子に前記制御信号を与える。
【００１８】
また本発明は、インダクター部が第１及び第２のインダクターを備え、前記スイッチ手段は、前記モーターが駆動制御される際前記キャパシターからの放電電流を前記第１のインダクターを介して前記電源に与え、前記モーターが回生制動される際前記モーターからの回生電流を前記第２のインダクターを介して前記キャパシターに与えるようにしてよい。例えば、前記スイッチ手段は、第１及び第２のスイッチング素子を有し、該第１及び該第２のスイッチング素子の各々はトランジスターと該トランジスターのコレクターに陽極が接続されエミッタに陰極が接続されたダイオードとを備えており、前記電源は前記第１のインダクターに直列に接続され該第１のインダクターには第１のダイオードが直列に接続されており、前記第１のスイッチング素子のコレクターと前記電源が接続され前記第１のスイッチング素子のエミッタが前記第２のインダクターを介して前記キャパシターに接続されており、前記キャパシターと前記第１のダイオードが接続されるとともに前記第１のインダクターと前記第１のダイオードとの第１の接続点と前記第２のインダクターと前記キャパシターとの第２の接続点との間には前記第２のスイッチング素子がそのエミッタを前記第１の接続点に接続されそのコレクターが前記第２の接続点に接続されて挿入されており、前記第１のダイオードはその陽極が前記第１のコイルに接続されている。この際、前記第２のインダクターと前記キャパシターとが直列に接続された直列回路に第２のダイオードを並列に接続して、前記第２のダイオードの陽極を前記第２のインダクターに接続するようにしてもよい。この場合には、前記コントローラーは前記モーターを駆動制御する際前記第２のスイッチング素子に前記制御信号を与え、前記モーターを回生制動する際前記第１のスイッチング素子に前記制御信号を与える。なお、前記制御信号は、例えば、パルス幅変調信号である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下本発明について実施の形態に基づいて説明する。なお、この実施の形態では、電源としてバッテリーを用い、負荷として直流モーターを用いた電源装置について説明するが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。又、本実施の形態に記載する製品の寸法、形状、構成、その相対配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２０】
図１を参照して、図示の電源装置では、電源としてバッテリー１１が用いられており、バッテリー１１はコントローラー１２に接続されるとともに電流電圧変換器１３に接続されている。図示のように、コントローラー１２には直流モーター１４が接続されている。さらに、キャパシター１５が電流電圧変換器１３に接続されるとともにコントローラー１２に接続されている。なお、図示されていないが、コントローラー１２には、例えば、制御操作部（制御レバー等）が接続されており、この制御操作部を操作することによって、コントローラー１２を介して直流モーター１４が駆動制御される。
【００２１】
図示の例では、バッテリー１１とキャパシター１５との間に電流電圧変換器１３が配置されており、後述するように、電流電圧変換器１３は、充放電の際、バッテリー１１とキャパシター１５に加わる電流電圧を調整する。
【００２２】
ここで、図２を参照して、図２は図１に示す電源装置の具体的な一例（第１の例）であり、図示の例では、電流電圧変換器１３はスイッチング素子である絶縁ゲートバイポーラ半導体素子（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ ＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：スイッチング素子）１３ａ及び１３ｂと及びコイル（インダクター）１３ｃを備えている。そして、スイッチング素子１３ａのエミッタは接続点Ａでスイッチング素子１３ｂのコレクターに接続されている。なお、スイッチング素子は、図示のように、トランジスターとダイオードとで表され、トランジスターのコレクターにダイオードの陽極（アノード）が接続され、トランジスターのエミッタにダイオードの陰極（カソード）が接続されている。以下の説明では、スイッチング素子がオンするとは、そのトランジスターがオンしている状態を意味し、オフするとは、そのトランジスターがオフしている状態を意味するものとする。
【００２３】
上記の接続点Ａにはインダクター１３ｃが接続され、このインダクター１３ｃはキャパシター１５に接続されており、さらにキャパシター１５はバッテリー電源ライン（負側電源ライン）１１ａに接続されている。また、スイッチング素子１３ａのコレクターはバッテリー電源ライン（正側電源ライン）１１ｂに接続され、スイッチング素子１３ｂのエミッタは負側電源ライン１１ａに接続されている。
【００２４】
いま、直流モーター１４を駆動（始動）する際には、制御操作部からコントローラー１２に駆動指令が与えられる。この駆動指令に応答して、コントローラー１２では、モーター電源ライン１４ａ及び１４ｂをそれぞれバッテリー電源ライン１１ａ及び１１ｂに接続する。この際、コントローラー１２は、スイッチング素子１３ｂのゲートに制御信号（スイッチ信号）を送る。この制御信号は、例えば、パルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）であり、このＰＷＭ信号に応じて、つまり、パルス幅に応じて、スイッチング素子１３ｂはオンオフ制御されることになる。一方、スイッチング素子１３ａには制御信号は与えられず、その結果、スイッチング素子１３ａはオフとなっている。スイッチング素子１３ｂがオンオフ制御される前の状態では、キャパシター１５に蓄えられた電荷（キャパシター１５からの電流）はインダクター１３ｃに流れない。つまり、キャパシター１５は放電しない。スイッチング素子１３ｂがオンオフ制御されると、このオンオフ制御に応じてインダクター１３ｃは電流が流れる。これによって、キャパシター１５からインダクター１３ｃ及びスイッチング素子１３ａ（ダイオードの部分）を介してバッテリー電源ライン１１ｂに達する電流路が形成され、キャパシター１５に蓄積された電荷が電流としてバッテリー電源ライン１１ｂに供給される。
【００２５】
直流モーター１４の始動時には、大電流が必要となり（一般には直流モーター１４の必要最大電流が必要となる）、上述のように、スイッチング素子１３ｂがオンオフ制御されると、キャパシター１５に蓄積された電荷がインダクター１３ｃ及びスイッチング素子１３ａ（ダイオード部分）を介して放電され、電流（以下この電流をキャパシター電流と呼ぶ）としてバッテリー電源ライン１１ｂに供給される。
【００２６】
一方、バッテリー１１からは電源ライン１１ａ及び１１ｂを介して電流（以下この電流をバッテリー電流と呼ぶ）が供給されており、前述のキャパシター電流とバッテリー電流とが合流してモーター電流としてコントローラー１２から直流モーター１４に供給される。
【００２７】
直流モーター１４の始動後所定の時間が経過すると、つまり、過渡状態から定常状態となると、バッテリー１１のみからモーター電流が供給されることになる。つまり、バッテリー電流に応じてモーター電流が直流モーター１４に供給されることになる。
【００２８】
一例として、フォークリフトを例に上げると、制御操作部からコントローラー１２に制御指令が与えられており、コントローラー１２では、この制御指令に基づいてモーター電流を調整する。フォークリフトにかかる負荷が少ないときには、つまり、直流モーター１４にかかる負荷が少ないときには、モーター電流は小さく制御され、一方、直流モーター１４にかかる負荷が大きいときには、モーター電流は大きくなる。そして、モーター電流がバッテリー電流を越えると、再び、キャパシター１５に蓄積された電荷がインダクター１３ｃ及びスイッチング素子１３ａを介して放電され、キャパシター電流としてバッテリー電源ライン１１ｂに供給されることになる。
【００２９】
ところで、図示の例では、例えば、フォークリフトを制動する際には、つまり、直流モーター１４を制動する際には、所謂回生制動を用いており、制御操作部から制動指令が与えられると、コントローラー１２は直流モーター１４が発電機として動作するように結線を切り換えるとともに、スイッチング素子１３ａのゲートに制御信号（ＰＷＭ信号）を送り、スイッチング素子１３ｂへの制御信号の送出を停止する。この結果、スイッチング素子１３ａはパルス幅に応じてオンオフ制御され、スイッチング素子１３ｂはオフ状態となる。
【００３０】
スイッチング素子１３ａがオンオフ制御されると、直流モーター１４からの電流、つまり、回生電流はスイッチング素子１３ａ及びインダクター１３ｃを介してキャパシター１５に与えられ、回生電流によってキャパシター１５が充電されることになる。
【００３１】
上述のように、図２に示す例では、スイッチング素子１３ａ及び１３ｂを備えて、これらスイッチング素子１３ａ及び１３ｂの接続点Ａがインダクター１３ｃを介してキャパシター１５に接続し、充放電の際、スイッチング素子１３ａ及び１３ｂを選択的にＰＷＭ制御するようにしたから、回生電流を効率的にキャパシター１５に蓄積できるばかりでなく、バッテリー１１へ過大な電流が加わることを抑制できる。
【００３２】
さらに、インダクター１３ｃを介して接続点Ａにキャパシター１５が接続されている結果、過大な電流がキャパシター１５に印加されることがなく、キャパシター１５の損傷を防止することができる。
【００３３】
加えて、キャパシター１５からの放電によって、バッテリー電力を補っているから、バッテリーの容量を少なくして、所望の必要最大電力を負荷に供給することのでき、その結果、バッテリー自体が小さくなるから、電源装置自体を小型化できる。
【００３４】
次に、図３を参照して、図３は図１に示す電源装置の具体的な他の（第２の例）であり、図示の例では、電流電圧変換器１３は、図２に示したスイッチング素子１３ａ及び１３ｂとインダクター１３ｃの他に、スイッチング素子１３ｄ及び１３ｅ備えている。そして、スイッチング素子１３ｄのエミッタは接続点Ｂでスイッチング素子１３ｅのコレクターに接続されている。
【００３５】
図３に示す例では、接続点Ａと接続点Ｂとの間にインダクター１３ｃが接続されており、キャパシター１５はスイッチング素子１３ａのコレクターとバッテリー電源ライン１１ａに接続されている。そして、スイッチング素子１３ｂのエミッタはバッテリー電源ライン１１ａに接続され、スイッチング素子１３ｄのコレクターはバッテリー電源ライン１１ｂに、スイッチング素子１３ｅのエミッタはバッテリー電源ライン１１ａに接続されている。
【００３６】
図３に示す電源装置では、直流モーター１４を始動する際には、コントローラー１２によってスイッチング素子１３ａがオンとされ、スイッチング素子１３ｅに制御信号（ＰＷＭ信号）が与えられて、スイッチング素子１３ｅがパルス幅に応じてオンオフ制御される。なお、スイッチング素子１３ｂ及び１３ｄはオフとされる。
【００３７】
スイッチング素子１３ｅがオンオフ制御されると、インダクター１３ｃに電流が流れ、キャパシター１５に蓄積された電荷がスイッチング素子１３ａ（トランジスター部分）、インダクター１３ｃ、及びスイッチング素子１３ｄ（ダイオード部分）を介して放電され、キャパシター電流がバッテリー電源ライン１１ｂに供給される。また、前述のように、バッテリー１１からは電源ライン１１ａ及び１１ｂを介してバッテリー電流が供給されることになる。
【００３８】
そして、制御操作部から与えられる制御指令に応じてコントローラー１２はモーター電流を制御することになる。この際、モーター電流がバッテリー電流を越えると、再び、キャパシター１５に蓄積された電荷がキャパシター電流としてバッテリー電源ライン１１ｂに供給されることになる。
【００３９】
制御操作部から制動指令が与えられると、図２で説明したように、コントローラー１２は直流モーター１２が発電機として動作するように結線を切り換えるとともに、スイッチング素子１３ｂのゲートに制御信号（ＰＷＭ信号）を送り、スイッチング素子１３ｄをオンとする。この際、コントローラー１２はスイッチング素子１３ａ及び１３ｅをオフとする。この結果、スイッチング素子１３ｂはパルス幅に応じてオンオフ制御されることになる。
【００４０】
スイッチング素子１３ｂがオンオフ制御される結果、直流モーター１４からの電流、つまり、回生電流はスイッチング素子１３ｄ（トランジスター部分）、インダクター１３ｃ、及びスイッチング素子１３ａ（ダイオード部分）を介してキャパシター１５に与えられ、回生電流によってキャパシター１５が充電されることになる。
【００４１】
このように、図３に示す例では、スイッチング素子１３ａ、１３ｂ、１３ｄ、及び１３ｅを備えて、接続点Ａ及びＢ間にインダクター１３ｃを接続し、さらに、スイッチング素子１３ａのコレクター及びバッテリー電源ライン１１ａにキャパシター１５を接続しており、そして、キャパシター１５の放電の際、スイッチング素子１３ａをオン状態とするとともにスイッチング素子１３ｅをＰＷＭ制御し、充電の際、スイッチング素子１３ｂをＰＷＭ制御するとともにスイッチング素子１３ｄをオン状態とするようにしたから、図２に示す電源装置と同様な利点があるばかりでなく、キャパシター充電電流がバッテリー１１に制約されず、その結果、キャパシターの容量を小さくできる。
【００４２】
さらに、図４を参照して、図４は図１に示す電源装置の具体的なさらに他の（第３の例）であり、図示の例では、電流電圧変換器１３は、図２に示したスイッチング素子１３ａ及び１３ｂとインダクター１３ｃの他に、インダクター１３１及びダイオード１３２及び１３３を備えている。
【００４３】
図４に示す例では、バッテリー１１に直列にインダクター１３１が接続され、インダクター１３１はダイオード１３２の陽極に接続されている。そして、ダイオード１３２の陰極はバッテリー電源ライン１１ａに接続されている。さらに、インダクター１３１はスイッチング素子１３ｂのエミッタに接続されている。
【００４４】
さらに、スイッチング素子１３ａがバッテリー電源ライン１１ｂに挿入されており、スイッチング素子１３ａはそのコレクターが直流モーター側に位置している。スイッチング素子１３ａのエミッタはインダクター１３ｃに接続され、インダクター１３ｃにはキャパシター１５が接続されている。そして、キャパシター１５はバッテリー電源ライン１１ａに接続されている。
【００４５】
スイッチング素子１３ｂのコレクターは、図示のように、キャパシター１５とインダクター１３ｃとの接続点Ｃに接続されており、インダクター１３ｃとキャパシター１５とで構成される直列回路に並列にダイオード１３３が接続されている。なお、ダイオード１３３はその陽極側がインダクター１３ｃに接続されている。また、図示の例では、バッテリー電源ライン１１ａ及び１１ｂ間にキャパシター１６が挿入されている。
【００４６】
図４に示す電源装置では、直流モーター１４を始動する際には、コントローラー１２によってスイッチング素子１３ｂに制御信号（ＰＷＭ信号）が与えられて、スイッチング素子１３ｂがパルス幅に応じてオンオフ制御される。一方、スイッチング素子１３ａはオフとされる。
【００４７】
スイッチング素子１３ｂのオンオフ制御によって、インダクター１３１に電流が流れ、キャパシター１５に蓄積された電荷がスイッチング素子１３ｂ（トランジスター部分）及びインダクター１３１を介して放電され、キャパシター電流がバッテリー電流とともにバッテリー電源ライン１１ｂに供給される。そして、直流モーター１４、ダイオード１３２、インダクター１３１、及びバッテリー１１に至る閉回路が形成されて、直流モーター１４に電流が流れる。
【００４８】
図２で説明したように、制御操作部から与えられる制御指令に応じてコントローラー１２はモーター電流を制御することになる。この際、モーター電流がバッテリー電流を越えると、再び、キャパシター１５に蓄積された電荷がキャパシター電流としてバッテリー電源ライン１１ｂに供給されることになる。
【００４９】
一方、制御操作部から制動指令が与えられると、図２で説明したように、コントローラー１２は直流モーター１２が発電機として動作するように結線を切り換えるとともに、スイッチング素子１３ａのゲートに制御信号（ＰＷＭ信号）を送り、スイッチング素子１３ｂをオフとする。この結果、スイッチング素子１３ａはパルス幅に応じてオンオフ制御されることになる。
【００５０】
スイッチング素子１３ａがオンオフ制御されると、インダクター１３ｃに電流が流れ、直流モーター１４からの電流、つまり、回生電流はスイッチング素子１３ａ（トランジスター部分）及びインダクター１３ｃを介してキャパシター１５に与えられ、回生電流によってキャパシター１５が充電されることになる。この際、インダクター１３ｃに蓄積されたエネルギーが電流としてキャパシター１５、ダイオード１３３、およびインダクター１３ｃを通って流れ、これによってもキャパシター１５が充電されることになる。
【００５１】
このように、図４に示す例では、キャパシター１５が放電する際には、インダクター１３１を通る経路で電流を流し、キャパシター１５を充電する際には、インダクター１３ｃを通る経路で電流を流すようにしたから、つまり、放電回路と充電回路とが独立しているから、放電特性及び充電特性を別々に設定できるばかりでなく、キャパシター１５の充放電を切り換える際の応答を素早くすることができる。そして、図４に示す例では、図２に示す電源装置と同様な利点もある。
【００５２】
さらに、上述の図２乃至図４で説明した例のいずれについても、直流モーター１４を駆動制御する際、キャパシター１５からの放電電流を補助的に用いているから、バッテリー１１は予め規定された負荷条件近傍で使用されることになり、その結果、バッテリー１１の寿命を長期化することが可能となる。また、例えば、フォークリフトにおいて、急加速又は高負荷作業時におけるバッテリーの電圧降下がキャパシターの放電で補助されるから、加速性能等を良好にすることができる。
【００５３】
なお、第１乃至第３の例にあげたキャパシター１３ｃとして、例えば、電気二重層コンデンサを用いることが望ましい。電気二重層コンデンサはエネルギー密度が高く、このため、回生エネルギーを効率的に回収することができる。
【００５４】
上述の例では、スイッチング素子としてスイッチング素子を用いたが、他のスイッチング素子を用いても同様にして本発明を適用することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、充放電用キャパシター（補助キャパシター）とバッテリーとの間に電流電圧変換器を配置するようにしたから、バッテリー等の電源の容量を少なくして、所望の必要最大電力を負荷に供給することができるという効果がある。
【００５６】
さらに、本発明では、回生動作の際バッテリー等の電源へ過大電流が流入することを抑制できるばかりでなくキャパシターに損傷を与えることがほとんどなく、高い効率で回生電流、つまり、回生エネルギーを回収することのできるという効果もある。
【００５７】
加えて、本発明による電源装置では、キャパシター充電電流がバッテリー等の電源に制約されず、その結果、キャパシターの容量を小さくできる。
【００５８】
また、本発明による電源装置では、キャパシターからの放電によって、バッテリー電力を補っているから、バッテリーの容量を少なくして、所望の必要最大電力を負荷に供給することのでき、その結果、バッテリー自体が小さくなるから、電源装置自体を小型化できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による電源装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】 図１に示す電源装置の第１の例を示す回路図である。
【図３】 図１に示す電源装置の第２の例を示す回路図である。
【図４】 図１に示す電源装置の第３の例を示す回路図である。
【符号の説明】
１１ バッテリー
１１ａ、１１ｂ バッテリー電源ライン
１２ コントローラー
１３ 電流電圧変換器
１３ａ、１３ｂ、１３ｄ、１３ｅ スイッチング素子
１３ｃ、１３１ コイル（インダクター）
１３２、１３３ ダイオード
１４ 直流モーター
１４ａ、１４ｂ モーター電源ライン
１５ キャパシター
１６ コンデンサー（キャパシター）
Claims (12)
- 電源から負荷に対して電力を供給する際に用いられる電源装置であって、前記電源を補助するためキャパシターと、前記電源と前記キャパシターとの間に挿入され前記キャパシターの充放電の際充電経路及び放電経路を規定して前記電源と前記キャパシターとに印加される電流電圧を調整する変換手段と、前記負荷に流れる電流を制御するコントローラーとを有する電源装置において、
前記変換手段は、前記制御信号に基づいて前記キャパシターを選択的に前記放電経路又は前記充電経路に接続するスイッチ手段と、前記放電経路又は前記充電経路に配置されたインダクター部とを有し、
前記インダクター部は第１及び第２のインダクターを備えており、前記スイッチ手段は、前記モーターが駆動制御される際前記キャパシターからの放電電流を前記第１のインダクターを介して前記電源に与え、前記モーターが回生制動される際前記モーターからの回生電流を前記第２のインダクターを介して前記キャパシターに与えるようにしたことを特徴とする電源装置。 - 前記負荷はモーターであり、前記コントローラーは制御指令又は制動指令に基づいて前記モーターの駆動制御又は回生制動を行うようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
- 前記変換手段は、前記モーターが駆動制御されている際前記キャパシターを前記放電経路に接続し、前記モーターが回生制動されている際前記キャパシターを前記充電経路に接続するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
- 前記変換手段は、前記コントローラーからの制御信号に基づいて前記キャパシターを選択的に前記放電経路又は前記充電経路に接続するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
- 前記スイッチ手段は、第１及び第２のスイッチング素子を有し、該第１及び該第２のスイッチング素子の各々はトランジスターと該トランジスターのコレクターに陽極が接続されエミッタに陰極が接続されたダイオードとを備えており、前記第１のスイッチング素子のエミッタと前記第２のスイッチング素子のコレクターとが接続されて前記電源に並列に接続されており、前記第１及び前記第２のスイッチング素子の接続点に前記インダクター部を介して前記キャパシターが接続され、前記キャパシターは前記第２のスイッチング素子と並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
- 前記コントローラーは前記モーターを駆動制御する際前記第２のスイッチング素子に前記制御信号を与え、前記モーターを回生制動する際前記第１のスイッチング素子に前記制御信号を与えるようにしたことを特徴とする請求項５に記載の電源装置。
- 前記スイッチ手段は、第１乃至第４のスイッチング素子を有し、該第１乃至該第４のスイッチング素子の各々はトランジスターと該トランジスターのコレクターに陽極が接続されエミッタに陰極が接続されたダイオードとを備えており、前記第１のスイッチング素子のエミッタと前記第２のスイッチング素子のコレクターとが接続されて前記第２のスイッチング素子のエミッタが前記電源に接続され、前記キャパシターが前記第１及び前記第２のスイッチング素子の直列回路に並列に接続されており、前記第３のスイッチング素子のエミッタと前記第４のスイッチング素子のコレクターとが接続されて前記電源に並列に接続されており、前記第１及び前記第２のスイッチング素子の接続点と前記第３及び前記第４のスイッチング素子の接続点との間に前記インダクター部が挿入されていることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
- 前記コントローラーは前記モーターを駆動制御する際前記第１のスイッチング素子をオン状態とするとともに前記第４のスイッチング素子に前記制御信号を与え、前記モーターを回生制動する際前記第３のスイッチング素子をオン状態とするとともに前記第２のスイッチング素子に前記制御信号を与えるようにしたことを特徴とする請求項７に記載の電源装置。
- 前記スイッチ手段は、第１及び第２のスイッチング素子を有し、該第１及び該第２のスイッチング素子の各々はトランジスターと該トランジスターのコレクターに陽極が接続されエミッタに陰極が接続されたダイオードとを備えており、前記電源は前記第１のインダクターに直列に接続され該第１のインダクターには第１のダイオードが直列に接続されており、前記第１のスイッチング素子のコレクターと前記電源が接続され前記第１のスイッチング素子のエミッタが前記第２のインダクターを介して前記キャパシターに接続されており、前記キャパシターと前記第１のダイオードが接続されるとともに前記第１のインダクターと前記第１のダイオードとの第１の接続点と前記第２のインダクターと前記キャパシターとの第２の接続点との間には前記第２のスイッチング素子がそのエミッタを前記第１の接続点に接続されそのコレクターが前記第２の接続点に接続されて挿入され、前記第１のダイオードはその陽極が前記第１のインダクターに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
- 前記コントローラーは前記モーターを駆動制御する際前記第２のスイッチング素子に前記制御信号を与え、前記モーターを回生制動する際前記第１のスイッチング素子に前記制御信号を与えるようにしたことを特徴とする請求項９に記載の電源装置。
- 前記第２のインダクターと前記キャパシターとが直列に接続された直列回路には第２のダイオードが並列に接続されており、前記第２のダイオードの陽極が前記第２のインダクターに接続されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の電源装置。
- 前記制御信号はパルス幅変調信号であることを特徴とする請求項６、８、１０のいずれかに記載の電源装置。
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