JP5703258B2

JP5703258B2 - 電気またはハイブリッド自動車用のエネルギー蓄積システム

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Publication number: JP5703258B2
Application number: JP2012108971A
Authority: JP
Inventors: キング，ロバート・ディーン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-01-09
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2015-04-15
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Description

本発明は、一般に電気駆動システムに関し、より詳細には、ハイブリッドまたは電気自動車に使用することができる、電池負荷平準化システムに関する。

少なくとも１つの知られている自動車は、車両の推進用の電力を供給するために、通常は鉛蓄電池である電池を含む。たとえば図１は、電気推進型、およびまたハイブリッド電気自動車に用いられる、通常の交流（ＡＣ）電気推進システム１０を含む従来技術の自動車である。電気推進システムは、鉛蓄電池１２などの少なくとも１つのエネルギー蓄積ユニットと、エネルギー蓄積ユニット１２を、ＤＣリンク１８を介したトラクションインバータ１６から電気的に断路するための直流（ＤＣ）コンタクタ１４を含む。具体的には電池１２は、ＡＣモータ２０への電力を制御するためのトラクションＤＣ−ＡＣインバータ１６などの周波数制御インバータに接続する、ＤＣリンクに接続される。

車両の動作においては、通常、車両の加速時または、たとえば車両が急勾配を上る動作中には、電池は、しばしば大電流レベルで電力の短いバーストを供給することが要求される。通常の電池から大電流が引き出されるときは、電池端子電圧が低下する。このような電圧の減少は、車両の正しい動作に影響し、または電力制御回路内のスイッチング素子の効率を低下させ、なぜなら制御回路はまた、最大限の電池電圧において、すなわち車両が一定速度モードで公称電流を引き出しているときに、高効率で動作するように設計されなければならないからである。

電気駆動システムの電池に対する大電流要件の影響を低減する１つの方法は、大電流の状況のときに追加の電力を供給するために、ＤＣリンクに結合された補助の受動エネルギー蓄積素子を用いることである。この方法の１つの実装形態は、図２の従来技術に示される。具体的には図２は、トラクション電池３２と、大容量キャパシタ３４と、車両の加速時、およびその他の急勾配を上る際の大電力要求時に、大容量キャパシタ３４がトラクション電池３２と電力を共有するのを可能にする比較的低コストの大容量キャパシタ電子回路インターフェース３６とを含むエネルギー蓄積システム３０を示す。

動作時には、知られている車両が低電力クルーズ状態で動作するとき、ダイオード４０は、大容量キャパシタ電圧が、電池電圧よりわずかに高い電圧のままとなることを可能にする。大電力加速が完了した直後は、エネルギー蓄積システムからの必要な電流は大幅に減少し、電池電圧は公称電池電圧または、場合によってはそれより高い電圧に増加し、一方、大容量キャパシタは、ほぼ加速直後の電圧のままとなる。さらに、車両の減速時は、シリコン制御整流器４２がゲートされ、電気モータ４４および付随するトラクション駆動部４６からの回生エネルギーが、最初に、ダイオード４０が導通する点へ電圧が増加するまで大容量キャパシタ３４を充電し、その時点で大容量キャパシタ３４と電池３２は共に部分的に再充電される。したがって、ゴルフカートおよび小型実用車を含む低速電気自動車においては、知られているエネルギー蓄積システムは良好に機能し、また大容量キャパシタとトラクション電池の間の効率的な低コストのインターフェースをもたらす。しかし動作時には、大容量キャパシタ３４に蓄積されるエネルギー量は、最大電池電圧およびダイオード４０の両端の電圧降下の和と、最小電池電圧およびダイオード４０の両端の電圧降下の和との間の電圧差の二乗に制限される。
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その結果、知られているエネルギー蓄積システムは、車両が重い加重で加速する、かつ／または急勾配を上るときに、延長された期間にわたって比較的大電力レベルを供給するには効果的でない。さらに、知られているエネルギーシステムは、許容できる効率および妥当なコストで、大容量キャパシタ出力電圧をトラクション駆動部のために必要な電圧レベルに整合することにおいては効果的ではない場合もある電子回路インターフェースを含む。

一態様では、電池が断続的大電流負荷を受ける、電気動力システム用の電池負荷平準化システムが提供される。システムは、第１の電池と、第２の電池と、電池に結合された負荷を含む。システムはまた、受動蓄積素子と、受動蓄積素子と直列電気回路にて結合され、受動蓄積素子から負荷へ電流を導通するように極性付けられた単方向導通装置であって、直列電気回路は、電池端子電圧が受動蓄積素子上の電圧より低いときに、受動蓄積素子が負荷への電流を供給するように電池と並列に結合される、単方向導通装置と、第１および第２の電池を低電圧並列構成または高電圧直列構成に接続する電池切り換え回路とを含む。

もう１つの態様では、電気自動車が提供される。電気自動車は、第１の電池と、第２の電池と、第１および第２の電池に結合された負荷であって、第１および第２の電池は車両を移動するための推進力を供給するように構成される負荷と、電池負荷平準化システムとを含む。電池負荷平準化システムは、受動蓄積素子と、受動蓄積素子と直列電気回路にて結合され、受動蓄積素子から負荷へ電流を導通するように極性付けられた単方向導通装置であって、直列電気回路は、第１および第２の電池の少なくとも１つの電池端子電圧が受動蓄積素子上の電圧より低いときに、受動蓄積素子が負荷へ電流を供給するように第１および第２の電池の少なくとも１つと並列に結合される、単方向導通装置と、第１および第２の電池を低電圧並列構成または高電圧直列構成に接続する電池切り換え回路とを含む。

他の態様では、ハイブリッド自動車が提供される。ハイブリッド自動車は、第１の電池と、第２の電池と、第１および第２の電池に結合された負荷であって、第１および第２の電池は車両を移動するための推進力を供給するように構成される負荷と、電池負荷平準化システムとを含む。電池負荷平準化システムは、受動蓄積素子と、受動蓄積素子と直列電気回路にて結合され、受動蓄積素子から負荷へ電流を導通するように極性付けられた単方向導通装置であって、直列電気回路は、第１および第２の電池の少なくとも１つの電池端子電圧が受動蓄積素子上の電圧より低いときに、受動蓄積素子が負荷へ電流を供給するように第１および第２の電池の少なくとも１つと並列に結合される、単方向導通装置と、第１および第２の電池を低電圧並列構成または高電圧直列構成に接続する電池切り換え回路とを含む。

他の態様では、電池が断続的大電流負荷を受ける電気動力システム用の電池負荷平準化システムを組み立てる方法が提供される。システムは、第１の電池と、第２の電池と、第１および第２の電池に結合された負荷を含む。方法は、単方向導通装置が受動蓄積素子から負荷へ電流を導通するように極性付けられるように、単方向導通装置を受動蓄積素子と直列電気回路にて結合するステップと、電池端子電圧が受動蓄積素子上の電圧より低いときに、受動蓄積素子が負荷へ電流を供給するように、直列電気回路を第１および第２の電池と並列に結合するステップと、第１および第２の電池を低電圧並列構成または高電圧直列構成に接続するために電池切り換え回路を使用するステップとを含む。

図３は、電池負荷平準化システム１００を示す。電池負荷平準化システム１００は、負荷１０６に電力を供給するために使用される第１の電池１０２および第２の電池１０４を含む。負荷１０６は、電気自動車に動力を供給するための電気的トラクションモータなどの、交流（ＡＣ）または直流（ＤＣ）負荷でよい。電池負荷平準化システム１００はまた、それぞれ第１および第２の電池１０２および１０４を低電圧並列または高電圧直列構成に接続するように動作可能な、複数のコンタクタを含む電池切り換え回路１１０を含む。

電池切り換え回路１１０は、第１の電池１０２および第２の電池１０４の正および負端子が正母線１１２および負母線１１４のそれぞれに接続されるのを可能にする。正および負母線１１２および１１４は、本明細書では正および負ＤＣリンクとも呼ばれ、電池１０２および１０４をパワーエレクトロニクス回路１１６に結合し、パワーエレクトロニクス回路１１６はＡＣ負荷すなわちＡＣモータに交流を供給するためのＤＣ−ＡＣインバータ、またはＤＣ負荷すなわちＤＣモータに直流を供給するためのＤＣチョッパまたはパルス幅変調回路（図示せず）などのスイッチングレギュレータ１１８を含むことができる。

より具体的には、電池切り換え回路１１０は、第１の電池１０２の正端子と正母線１１２の間に結合された第１のコンタクタ１２０と、第１の電池１０２の負端子と第２の電池１０４の負端子の間に結合された第２のコンタクタ１２２と、第１の電池１０２の正端子と第２の電池１０４の負端子の間に結合された第３のコンタクタ１２４を含む。

電池負荷平準化システム１００を低電圧並列構成で動作させるためには、コンタクタ１２０および１２２は閉路され、コンタクタ１２４は開路され、それにより電池１０２および１０４は、それぞれ母線１１２および１１４と並列構成にて電気的に結合されるようになる。適宜、電池負荷平準化システム１００を高電圧直列構成で動作させるためには、コンタクタ１２０および１２２は開路され、コンタクタ１２４は閉路され、それにより電池１０２および１０４は、それぞれ母線１１２および１１４と直列構成にて電気的に結合されるようになる。

電池負荷平準化システム１００はまた、電池１０２および１０４の出力端とパワーエレクトロニクス回路１１６の間に直列に結合されたメインコンタクタ１３０、およびプリチャージ回路１３２を含む。電池負荷平準化システム１００はまた、大容量キャパシタなどの受動蓄積素子１４０を含み、受動蓄積素子１４０は、たとえばダイオードなどの単方向導通装置１４２と、電流制限スイッチ１４４と、第１の抵抗器１４６と、第２の抵抗器１４８と、シリコン制御整流器、バイポーラトランジスタ、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）などでそれらに限定されない半導体スイッチ１５０とに直列に結線される。運転者によって発生されるスロットルまたは制動コマンドに応答するエネルギー蓄積システムコントローラ１６０は、パワーエレクトロニクス回路１１８への制御リンクを通じて制御信号を供給する。本明細書の用語によれば大容量キャパシタは、複数の直列接続されたキャパシタセルを備え、各大容量キャパシタセルは１００ファラッドより大きいキャパシタンスを有する。例示的実施形態では、ここで述べられる大容量キャパシタは、セル当たり１０００ファラッドより大きなセルキャパシタンスを有する。

したがって、電池負荷平準化システム１００は、高電圧直列構成または低電圧並列構成において動作可能である。たとえば、低トラクション駆動モータ速度では、電池切り換え回路１１０は低電圧並列モードに構成され、すなわちコンタクタ１２０および１２２は共に閉路され、コンタクタ１２４は開路される。したがって、電池１０２および１０４は、それぞれ母線１１２および１１４に並列に結合される。ほぼ同時に、受動蓄積素子１４０、たとえば大容量キャパシタは、最初に電流制限スイッチ１４４を通じてプリチャージを開始する。より具体的には、十分な時間が与えられれば、抵抗器１４６は、大容量キャパシタ１４０が、電池端子電圧からダイオード降下以内の最大値、すなわち直列または並列構成に構成された電池１０２および１０４の複合電圧に、充電されるのを可能にする。別法として、特にハイブリッド自動車では、駆動システムは最初に電池のエネルギー蓄積のみで機能することができ、大容量キャパシタ１４０は車両減速時の車両の運動エネルギーを用いて、すなわちインバータ１１８、ＳＣＲ１５０、および電流制限抵抗器１４８を通じた発電機としてのモータ１０６の動作時の回生電力を用いて、プリチャージすることができる。プリチャージ回路１３２は、図２に示されるようなトラクション駆動システム１１８内に含まれる、ＤＣリンクフィルタキャパシタを充電するために使用され、それによってメインＤＣコンタクタ１３０に対する過渡電流ストレスを低減する。

具体的には、電流制限スイッチ１４４は電流の大きさに対して感応性があり、低電流では比較的低抵抗を有し、大電流では高抵抗を有するように選択される。したがって、負荷１０６が公称値の電流を引き出しているときは、電池１０２および１０４は、電流制限スイッチ１４４の比較的低インピーダンスを通じ、スイッチ１４４の抵抗内で過大な電力を消費せずに、受動蓄積素子１４０のための充電電流を供給する。しかし、エネルギー蓄積素子１４０が高度に放電され、それによりその電圧が公称複合電池電圧より大幅に低い場合は、電流制限スイッチ１４４を通じて引き出される増加した電流は、スイッチ１４４を、固定抵抗器１４６の抵抗よりも大幅に大きくなるように選ばれる比較的高抵抗の状態に遷移させることになる。

したがって大容量キャパシタすなわち受動エネルギー蓄積素子１４４は、抵抗１４６を通る電流によって再充電されることになる。好ましくは抵抗１４６の抵抗値は、電池状態に応じて約３０〜６０秒内でキャパシタ１４４を再充電する電流レベルを供給するように選択される。したがって電流制限装置１４４は、システムが、負荷１０６がＡＣまたはＤＣ電気モータを備える車両の急加速によって生じ得るような、負荷１０６中の大電流の引き出しによる大電力パルス負荷を受けた直後に、電池１０２および１０４からの大容量キャパシタ１４０の大電流再充電を防止することによって改良された電池の負荷平準化を実現する。電流制限スイッチ１４４の設計は、大容量キャパシタ１４０の充電電流が指数関数的に減少し、大容量キャパシタ上の電圧が増加するにつれてスイッチが発振しないように選ばれる。

さらに一実施形態では、エネルギー蓄積システムコントローラ（ＥＣＳＳ）は、複数の比較的低コストの電圧センサ１６２からのフィードバック信号を使用するプロセッサと、コンタクタ１２０、１２２、および１２４の動作を容易にするために、それぞれコンタクタ１２０、１２２、および１２４に結合された通常のコンタクタドライバ回路とすることができる。したがって、車両が比較的低速度で動作しているときは、並列コンタクタ１２０および１２２は、配達実用車用途におけるのろのろ運転で典型的なように、トラクション駆動部が大部分の時間を比較的低速度での動作に費やすことを前提として、「ノーマルクローズ」として構成される。エネルギー蓄積システムコントローラ１６０内のロジックはまた、「直列」モードコンタクタ１２４が閉路される前に「並列」モードコンタクタ１２０および１２２が開路されることおよび同様にその逆を可能にするために、十分な順序付けられた「ロックアウト」および適切な時間遅延を実現する。

より具体的には、車両が、たとえば軽度の制動時など回生モードで動作するときは、電池負荷平準化システム１００は、運転者の入力制動コマンドのレベルに基づく中程度の回生エネルギー捕捉の期間の最初の「並列モード」の後に、メインコンタクタ１３０が開路されるように構成される。

さらに、電池を比較的低電力の並列モードで動作させるとき、ＳＣＲ１５０はオンにゲートされ、電流が電流制限抵抗器１４８を通って流れて大容量キャパシタ１４０を充電するのを可能にし、したがって大容量キャパシタ１４０上の電圧が電池電圧より大幅に高く増加するのを可能にし、それによって図２に示される知られている構成と比較して増加されたエネルギー蓄積レベルを実現する。大容量キャパシタ１４０上の電圧が、「直列モード」での公称電圧の所定の閾値電圧より低いことを条件として、メインコンタクタ１３０は開路のままとなって大容量キャパシタ１４０に蓄積されたエネルギーの一部が次の加速事象時に利用されることを可能にする。たとえば１０２および１０４が並列に構成された並列電池構成と、大容量キャパシタ１４０の間の電圧差が、所定の電圧レベル内となる時点で、ＥＣＳＳ１６０は、メインコンタクタ１３０を閉路するコマンドを送出する。同様に、軽度の回生エネルギー捕捉にて動作時に、ＥＳＳＣは、機械的コンタクタの寿命を増すのを容易にするために、メインコンタクタ１３０が閉路のままとなることを確実にする。制御の追加の詳細は、図８を参照して説明する。

図３に示される電池負荷平準化システム１００は、直列構成の電池および大容量キャパシタの両方の公称電圧が同じ電圧定格であることを前提として、図２に示される従来技術と比較して、大容量キャパシタ内のエネルギー蓄積のレベルの増加を可能にする。さらに電池負荷平準化システム１００は、トラクション電池のＤＣリンクからの部分的な減結合をもたらす比較的低コストの実装を実現し、したがって全体的な駆動システム効率が向上する。

図４は、電池切り換え回路２１０を含むシステム２００である。システム２００は、電池切り換え回路２１０を除いて、電池負荷平準化システム１００とほぼ同様である。例示的実施形態では、回路２１０は、（図３に示される）メインコンタクタ１３０を不要にすることが可能になる直列／並列回路である。回路２１０は、それぞれがノーマルオープンのコンタクタである、第１のコンタクタ２１２、第２のコンタクタ２１４、第３のコンタクタ２１６、および第４のコンタクタ２１８を含む。

具体的には、コンタクタ２１２および２１８は、個々のコンタクタの両端の電圧の低減を容易にするために直列に結合される。適宜、回路２１０は、コンタクタ２１２または２１８の少なくとも１つを不要にできるように十分な電圧定格を有する単一のコンタクタを含み、この簡略化は、本実施形態に含まれる。例示的実施形態では、回路２１０はまた、ＥＳＳＣロジック、ゲートドライバコマンド上の電気ノイズ、および／または接点溶着によって、コンタクタの組の１つの開路が妨げられる万一の状況において、直列および並列コンタクタの両方が同時に閉路するのを防止するのを容易にするために、機械的インターロック２１５を含む。

より具体的には、第１および第４のコンタクタ２１２および２１８は第１の電池１０２の正端子と第２の電池１０４の負端子の間に直列に結合され、第２のコンタクタ２１４は第１の電池１０２の正端子と正母線１１２の間に結合され、第３のコンタクタ２１６は第１の電池１０２の負端子と第２の電池１０４の負端子の間に結合される。

システム２００はまた、第１のプリチャージ回路２３０、第２のプリチャージ回路２３２、および第３のプリチャージ回路２３４を含み、これらは、ＤＣ−ＡＣインバータ１１８内にあるＤＣリンクフィルタキャパシタをプリチャージするために用いられ（図３のプリチャージ回路１３２と同様の機能）、それにより、それぞれコンタクタ２１２、２１４、２１６、および２１８を閉路するときの過渡動作時のコンタクタおよびＤＣリンクフィルタキャパシタに対する電流ストレスを低減する。第４のプリチャージ回路１３４はオプションの回路であり、先に述べたような電流制限スイッチおよび抵抗器１４６と比較して短時間で電池システムから大容量キャパシタ１４０をプリチャージすることを可能にする。

システム２００を低電圧並列構成で動作させるためには、機械的インターロック２１４は、コンタクタ２１２および２１８が開路となり、コンタクタ２１４および２１６が閉路となるような第１の位置に置かれる。したがって、電池１０２および１０４は、並列に結合されて母線１１２に電力を供給する。システム２００を高電圧直列構成で動作させるためには、機械的インターロック２１４は、コンタクタ２１２および２１８が閉路となり、コンタクタ２１４および２１６が開路となるような第２の位置に置かれる。したがって、電池１０２および１０４は、母線１１２と直列に結合される。

さらに、プリチャージ回路２３０、２３２、および２３４は、電気モータトラクション駆動部またはＤＣ負荷内に収容されるＤＣリンクキャパシタＣｄｃ（図２に示される）をプリチャージするために使用される。この実施形態の制御は、図３に示される電池負荷平準化システム１００の制御と同様であり、本明細書で後に説明する。

図５は、電池切り換え回路３１０を含むシステム３００を示す。システム３００は、電池切り換え回路３１０を除いて、電池負荷平準化システム１００とほぼ同様である。例示的実施形態では、（図４に示される）並列コンタクタ２１４および２１６は、それぞれダイオード３１２および３１４で置き換えられる。

加速時、または比較的一定速度での動作および低モータ速度動作時は、直列コンタクタ１２０は開路され、電池１０２および１０４は、ダイオード３１２および３１４を通じて並列構成に構成される。したがって、加速またはほぼ一定速度で動作するために必要な電力は、図３および図４に示されるように、電池１０２および１０４と大容量キャパシタ１４０の組合せによって、電気モータ駆動部すなわち負荷１０６に供給される。適宜、車両の減速時は、ダイオード３１２および３１４によって回生電力が電池１０２および１０４に流入するのが阻止され、したがって回生エネルギーは大容量キャパシタ１４０内に捕捉される。したがって、大容量キャパシタ１４０の電圧は、ＳＣＲ１５０および電流制限抵抗器１４８を通って流れる回生電流の関数としてほぼ直線的に増加する。高レベルの回生電力、すなわち長い下り坂の勾配での車両の動作時は、大容量キャパシタ１４０上の電圧は大幅に増加する。大容量キャパシタ電圧が、直列構成での予測される電池電圧の所定の電圧内に上昇するに従って、コンタクタ１２０は閉路され、回生電力は今度は、（直列構成に構成された）電池１０２および１０４と大容量キャパシタ１４０の両方に印加される。

図６は、電池切り換え回路４１０を含むシステム４００である。システム４００は、電池切り換え回路４１０を除いて、システム３００とほぼ同様である。例示的実施形態では、断路器、すなわち図５に示される直列コンタクタ１２０の機能は、逆並列のそれぞれＳＣＲ４１２および４１４を使用して実装される。適宜、回路４１０は、それぞれ電池１０２および１０４からの電流の制限を容易にするために、少なくとも２つのヒューズ４３０および４３２を含む。

動作時に、車両が加速または比較的急な坂を上っており、追加の電力が必要なときは、ＳＣＲ４１４が活動化され、それにより第１の電池１０２および第２の電池１０４は、それぞれ母線１１２および１１４の間に直列構成に配置されるようになる。さらに、ヒューズ４３２は、母線１１２への電流の制限を容易にする。

車両が、必要な電力が少ないモードで動作するときは、ＳＣＲ４１２およびＳＣＲ４１４の両方が非活動化され、それにより第１の電池１０２および第２の電池１０４は、それぞれ母線１１２および１１４の間に並列構成に配置されるようになる。具体的には、第１の電池１０２からの電流はダイオード４２２およびヒューズ４３０を通って第１の母線１１２へ導かれ、第２の電池１０４からは電流がダイオード４２６およびヒューズ４３２を通って母線１１２へ導かれて負荷１０６へ電力を供給する。

適宜、車両が比較的急な傾斜を下降しているとき、車両は、回生モードで動作するように構成される。具体的には、ＳＣＲ４１２が活動化され、ＳＣＲ４１４は非活動化され、それにより電流は、母線１１２からヒューズ４３２を通り、電池１０４、ＳＣＲ４１２、第１の電池１０２、ヒューズ４３０を通って流れて母線１１４への電気回路が完結され、したがって直列構成に接続された第１の電池１０２と第２の電池１０４の両方の充電を容易にする。ダイオード４２２および４２６は、並列構成の第１および第２の電池へ電流が導かれるのを制限する。

図７は、電池切り換え回路５１０を含むシステム５００である。システム５００は、電池切り換え回路５１０を除いてシステム４００とほぼ同様である。例示的実施形態では、回路５１０はまた、第１のコンタクタ５４０と、第２のコンタクタ５４２を含む。例示的実施形態では、断路器、すなわち図５に示される直列コンタクタ１２０の機能は、逆並列のそれぞれＳＣＲ５１２および５１４を使用して実装される。適宜、回路５１０は、それぞれ電池１０２および１０４からの電流の制限を容易にするために、少なくとも２つのヒューズ５３０および５３２を含む。回路５１０はまた、電気的分離を可能にするのを容易にし、また電池温度が低く、「凍結状態」のときに電池１０２および１０４を通って流れるリーク電流の防止を容易にするために、第１のコンタクタ５４０および第２のコンタクタ５４２を含む。本明細書の用語によれば、電池の動作温度が、およそ摂氏１４０°より低いとき、電池は凍結状態で動作する。

例示的実施形態では、電池１０２および１０４は、それぞれ摂氏２６０°より高い温度で動作するように構成されたナトリウム塩化ニッケル電池または、ナトリウム硫黄電池のうちの少なくとも１つを用いて実装される。例示的実施形態では、ナトリウム塩化ニッケル電池およびナトリウム硫黄電池は、それぞれキログラム当たり約１００ワット／時間より大きな高エネルギー密度を有する。さらに、これらの電池は比較的安価であり、たとえば空冷または水冷など、周囲空気条件を使用して効果的に冷却することができる。

もう１つの実施形態では、電池１０２および１０４は、燃料電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケルカドミウム電池、および鉛蓄電池を用いて実装される。さらにシステム５００は、それぞれ電池１０２および１０４の一方の側だけに配置されたコンタクタ５４０および５４２を示しているが、有害なリーク電流からの更なる保護をもたらすために、電池１０２および１０４のそれぞれの両端子にコンタクタを結合できることが理解されるべきであり、したがってそれらも本実施形態に含まれる。

たとえば急な下り坂の勾配で車両を動作させるなどの第１の動作モードでは、車両が比較的高い回生電力レベルに達するとき、および／または直列接続された電池の電圧がほぼ最大限度に達するような長距離にわたって動作するとき、電気モータトラクション駆動部（上記の実施形態には図示せず）内に装備された過電圧保護アルゴリズムが、ＤＣリンク電圧、すなわち母線１１２の電圧を許容限界に維持しながら、回生電力のレベルを次第に減少させる。これが起きると、車両運転者は、電気的制動トルクの減少を感知し、ブレーキペダルをさらに押し下げることによって補償することになり、それにより電気的制動出力が減少するに従って機械的制動出力を実効的に増加させる。

動作時には、システム５００は、システム５００を動作させるために、モータ１０６の速度およびトルクを示すフィードバック、大容量キャパシタ電圧、電池電圧を使用する。さらにシステム５００は、可能な場合は常に、車両の動作を補完するために、大容量キャパシタ１４０内に蓄積されたエネルギーを利用する。たとえば、高度の車両加速時には、電池１０２および１０４は直列構成に置かれ、大容量キャパシタ１４０の電圧は、およそ電池電圧からのダイオード降下までの電圧内に充電され、大容量キャパシタ１４０と電池１０２および１０４は共に、主として開回路電圧と電池１０２および１０４および大容量キャパシタ１４０の付随する内部抵抗に基づいて、電力を共有する。適宜、低速度動作時には、電池１０２および１０４は並列構成に構成され、回生エネルギー捕捉は、大容量キャパシタ１４０上の電圧が（並列構成された）電池電圧より高いレベルに増加することを可能にする。この状況では、次の加速は、大容量キャパシタ電圧が電池電圧をほぼ等しくなるまで、大容量キャパシタ１４０からの蓄積されたエネルギーを用いる。

図８は、図３〜７に示されるシステムを制御する方法を説明するグラフである。例示的実施形態では、初期モータ速度はほぼゼロｒｐｍと示され、大容量キャパシタは実質的に、並列に構成された電池の電池電圧にプリチャージされる。図示のように、最初に、ほぼ一定のトルクが印加され、モータ速度が増加し、電力は並列構成の電池と大容量キャパシタの両方によって供給される。トルクが突然、定格の約３０％に減少するとき、すなわち車両および／または駆動部がクルーズモードになると、電池電圧は急に増加し、一方、大容量キャパシタは、電流制限スイッチまたはプリチャージ回路により、ゆっくり増加する。しかし、回生制動時には、エネルギーが大容量キャパシタに印加され、電圧増加は、ほぼ回生制動電流の線形関数となる。この例では、回生制動モード時の大容量キャパシタ電圧は、エネルギー蓄積システムコントローラが電池が直列モードに構成されるように命令を出す電圧閾値に達しなかった。したがって次の加速時には、最初に駆動部および／または車両を加速するためのすべてのエネルギーは、大容量キャパシタから供給される。大容量キャパシタ電圧が並列構成の電池の閾値電圧に達すると、電力は円滑に遷移され、電池および大容量キャパシタの両方によって供給される。

約５０％のモータ速度の時点およびそれ以上では、大容量キャパシタ電圧は増加する。大容量キャパシタ上の電圧を増加させる厳密な方法は、特定の実施形態および応用例に依存する。一般にキャパシタは、直列構成（図３〜７に示される）に構成された電池から、または回生制動を含む他の供給源によってプリチャージされる。大容量キャパシタ電圧が電池電圧より低いときは、電池がすべての電力を供給する。たとえばハイブリッド自動車では、電池だけを用いた通常のプリチャージ回路と比較して大容量キャパシタを再充電する時間を短くするために、エンジン出力と、駆動部を回生モードに構成することの組合せを用いることができる。大部分の時間、駆動部は低速度で動作すると考えられ、したがって最大限の出力時の、この特定の遷移の頻度はごく小さい。代替の制御技法は、駆動部が通常、高い速度および出力範囲で動作する幹線道路モードタイプの動作時に、制御が電池を直列構成にさせる、自動的なコンピュータ制御のアルゴリズムをもつことである。所定の条件の後でのみ、すなわち駆動部が所与の時間または距離について再び低速動作で動作するときに、自動制御は、次に車両が静止する時点で電池を切り換えて並列構成に戻すようになる。

図８は、モータ速度が約５０％のときに電池を並列構成から直列構成に切り換えるシステムを示しているが、ここで述べられたシステムは、非限定的に、車両速度、モータトルク、モータ速度、およびその他の入力など、システムから受け取られた複数の入力を使用して、電池を並列モードから直列モードに再構成することになることが理解されるべきである。したがって図８は例示的実施形態であり、電池は、５０％のモータ速度より上で、または５０％のモータ速度より下で、並列から直列に、または直列から並列に切り換え得ることが理解されるべきである。

本明細書では、加速のための高出力および長い勾配を上るための高エネルギーを必要とする電気および／またはハイブリッド自動車に使用することができる、複数のエネルギー蓄積システムについて述べた。本明細書の用語によれば、ハイブリッド自動車は、車両に推進力を供給するために電気モータと熱機関の組合せを使用する車両を表す。さらに本明細書の用語によれば、電気自動車は、モータと複数の電池を含み、電池が車両を動作させるための推進力を供給する車両を表す。

システムは、高電力密度大容量キャパシタと、高エネルギー密度を有する高エネルギー蓄電池の組合せを含む。大容量キャパシタは、市街地におけるのろのろ運転時の初期加速および減速用、および追い越し操作時の電力の短いバースト用に、十分な電力を供給するように大きさが選ばれる。さらに、比較的低コストの大容量キャパシタの電子回路インターフェースにより、特定の期間、電池を大容量キャパシタから減結合することが可能となり、したがって回生エネルギー捕捉時の、大容量キャパシタの理想的な蓄積エネルギーのうちの高い割合が利用される。この蓄積エネルギーは、その後の加速時に用いられ、したがって燃料を節約し、走行距離を伸ばす。本明細書で述べたシステムはまた、低速の市街地運転と高速の幹線道路運転の両方で効率的に動作させるように、トラクション駆動部の入力電圧を整合することを可能にする。

したがって、本明細書で述べたシステムは、比較的高価なＤＣ−ＤＣコンバータが不要な、低コストの大容量キャパシタ／電池インターフェース装置の実現を容易にする。システムはロバストであり、信頼性があり、電池切り換え事象の間の円滑な遷移を実現する。固体電池切り換え回路、（コンタクタが用いられる場合）コンタクタは、大きな過渡電流ストレスを受けない。システム制御は、単純な電圧、モータ速度フィードバックセンサ、および／またはトルクコマンド信号に基づく。大容量キャパシタインターフェースは、知られているインターフェース技法と比較して、向上されたエネルギー蓄積の利用を実現する。低速の市街地運転タイプのサイクルは、主として大容量キャパシタを用いて行われ、したがって電池寿命を増強する。高電力密度大容量キャパシタ構成要素は、高いサイクル効率を示す。大容量キャパシタは、実質的にＤＣリンク上にあり、ＤＣ−ＤＣコンバータ損失を無くすのを容易にする。大容量キャパシタと電池の組合せは、低速および高速動作の両方で長い上り坂または下り坂の勾配で使用することができる、十分なエネルギー蓄積を実現する。さらにシステムは、特にＤＣリンクが、高速高出力動作と比較して定格電圧の約５０％で動作する低モータ速度動作時に、全体的なシステム、すなわち大容量キャパシタ、電池、および／またはトラクション駆動部の改善されたサイクル効率を実現する。

以上、様々な特定の実施形態に関して本発明を説明したが、当業者には特許請求の範囲の趣旨および範囲内での変更によって本発明を実施することができることが理解されよう。

従来技術の電気推進システムを示す図である。従来技術のエネルギー蓄積システムを示す図である。例示の電池切り換え回路を含む、電池負荷平準化システムを示す図である。図３に示される電池負荷平準化システムに用いることができる、例示の電池切り換え回路を示す図である。図３に示される電池負荷平準化システムに用いることができる、例示の電池切り換え回路を示す図である。図３に示される電池負荷平準化システムに用いることができる、例示の電池切り換え回路を示す図である。図３に示される電池負荷平準化システムに用いることができる、例示の電池切り換え回路を示す図である。図３に示されるシステムの動作時のグラフである。

１０電気推進システム
１２電池
１４（ＤＣ）コンタクタ
１６ＤＣ−ＡＣインバータ
１８ＤＣリンク
２０ＡＣモータ
３０エネルギー蓄積システム
３２電池
３４大容量キャパシタ
３６電子回路インターフェース
４０ダイオード
４２シリコン制御整流器
４４電気モータ
４６トラクション駆動部
１００電池負荷平準化システム
１０２第１の電池
１０４第２の電池
１０６負荷
１１０電池切り換え回路
１１２母線
１１４負母線
１１６パワーエレクトロニクス回路
１１８ＤＣ−ＡＣインバータ
１２０コンタクタ
１２２第２のコンタクタ
１２４第３のコンタクタ
１３０メインコンタクタ
１３２プリチャージ回路
１４０大容量キャパシタ
１４２導通装置
１４４電流制限スイッチ
１４６第１の抵抗器
１４８第２の抵抗器
１５０半導体スイッチ
１６０エネルギー蓄積システムコントローラ
１６２電圧センサ
２００システム
２１０回路
２１２第１のコンタクタ
２１４第２のコンタクタ
２１５機械的インターロック
２１６第３のコンタクタ
２１８第４のコンタクタ
２３０第１のプリチャージ回路
２３２第２のプリチャージ回路
２３４第３のプリチャージ回路
３００システム
３１０電池切り換え回路
３１２ダイオード
３１４ダイオード
４００システム
４１０電池切り換え回路
４１２ＳＣＲ
４１４ＳＣＲ
４２２ダイオード
４２６ダイオード
４３０ヒューズ
４３２ヒューズ
５００システム
５１０回路
５１２ＳＣＲ
５１４ＳＣＲ
５３０ヒューズ
５３２ヒューズ
５４０第１のコンタクタ
５４２第２のコンタクタ

Claims

電池が断続的大電流負荷を受ける、電気動力システム用の電池負荷平準化システムであって、第１の電池と、第２の電池と、前記第１および第２の電池に結合された負荷とを含み、前記システムは、
受動蓄積素子と、
前記受動蓄積素子と前記負荷に結合され、前記受動蓄積素子から前記負荷へ電流を導通するように極性付けられた単方向導通装置であって、前記受動蓄積素子が前記負荷と並列に結合される、単方向導通装置と、
前記第１および第２の電池を低電圧並列構成または高電圧直列構成に接続して前記第１および第２の電池から前記負荷への回路の計測可能な端子電圧が、第１の高電圧モードと第２の低い電圧モードの間で切り換えが行えるようにする、機械的インターロックを含む電池切り換え回路と、
ハイブリッド自動車エンジンを用いて前記受動蓄積素子を充電するプリチャージ回路と、を備え、
前記ハイブリッド自動車エンジンは、前記負荷からの回生電力を受け取るように構成された駆動部を有する電気回路を通して前記受動蓄積素子を充電し、
前記電池切り換え回路が前記第２の低い電圧モードにあり、前記第１および第２の電池から前記負荷への前記回路の前記端子電圧が、前記負荷への前記受動蓄積素子の計測可能な電圧よりも小さいとき、前記受動蓄積素子は、前記第２の低い電圧モードにある前記電池切り換え回路に応答して前記負荷に電流を供給する、
システム。
電池が断続的大電流負荷を受ける、電気動力システム用の電池負荷平準化システムであって、第１の電池と、第２の電池と、前記第１および第２の電池に結合された負荷とを含み、前記システムは、
受動蓄積素子と、
前記受動蓄積素子と前記負荷に結合され、前記受動蓄積素子から前記負荷へ電流を導通するように極性付けられた単方向導通装置であって、前記受動蓄積素子が前記負荷と並列に結合される、単方向導通装置と、
前記第１および第２の電池を低電圧並列構成または高電圧直列構成に接続して前記第１および第２の電池から前記負荷への回路の計測可能な端子電圧が、第１の高電圧モードと第２の低い電圧モードの間で切り換えが行えるようにする、機械的インターロックを含む電池切り換え回路と、
前記受動蓄積素子を充電するプリチャージ回路と、
を備え、
前記プリチャージ回路が、半導体スイッチを用いて、前記負荷からの回生電力を受け取るように構成され、
前記電池切り換え回路が前記第２の低い電圧モードにあり、前記第１および第２の電池から前記負荷への前記回路の前記端子電圧が、前記負荷への前記受動蓄積素子の計測可能な電圧よりも小さいとき、前記受動蓄積素子は、前記第２の低い電圧モードにある前記電池切り換え回路に応答して前記負荷に電流を供給する、
システム。
前記半導体スイッチが、シリコン制御整流器、バイポーラトランジスタ、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、およびゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）のうちの少なくとも１つを備える、請求項２記載の電池負荷平準化システム。
電池が断続的大電流負荷を受ける、電気動力システム用の電池負荷平準化システムであって、第１の電池と、第２の電池と、前記第１および第２の電池に結合された負荷とを含み、前記システムは、
受動蓄積素子と、
前記受動蓄積素子と前記負荷に結合され、前記受動蓄積素子から前記負荷へ電流を導通するように極性付けられた単方向導通装置であって、前記受動蓄積素子が前記負荷と並列に結合される、単方向導通装置と、
前記第１および第２の電池を低電圧並列構成または高電圧直列構成に接続して前記第１および第２の電池から前記負荷への回路の計測可能な端子電圧が、第１の高電圧モードと第２の低い電圧モードの間で切り換えが行えるようにする、機械的インターロックを含む電池切り換え回路と、
前記第１および第２の電池を用いて前記受動蓄積素子を充電するプリチャージ回路と、
を備え、
前記電池切り換え回路が前記第２の低い電圧モードにあり、前記第１および第２の電池から前記負荷への前記回路の前記端子電圧が、前記負荷への前記受動蓄積素子の計測可能な電圧よりも小さいとき、前記受動蓄積素子は、前記第２の低い電圧モードにある前記電池切り換え回路に応答して前記負荷に電流を供給する、
システム。
前記電池切り換え回路を前記受動蓄積素子から断路するように構成された断路器をさらに備える、請求項１乃至４のいずれかに記載の電池負荷平準化システム。
前記受動蓄積素子の電圧と、前記負荷からの電力流の方向および大きさに基づいて、前記断路器を選択的に動作させるためのコントローラをさらに備える、請求項５記載の電池負荷平準化システム。
前記電池切り換え回路が、第１のコンタクタ、第２のコンタクタ、および第３のコンタクタを備え、前記第１および第２のコンタクタは前記第１および第２の電池を低電圧並列構成に接続するように動作可能であり、前記第３のコンタクタは前記第１および第２の電池を高電圧直列構成に接続するように動作可能である、請求項１乃至４のいずれかに記載の電池負荷平準化システム。
前記第３のコンタクタと直列に結合された第４のコンタクタと、
前記第３および第４のコンタクタをほぼ同時に作動させるための、第１の装置と、
前記第１および第２のコンタクタをほぼ同時に作動させるための、第２の装置と
をさらに備える、請求項７記載の電池負荷平準化システム。
前記第２の装置が、前記第３および第４のコンタクタと前記第１および第２のコンタクタの間に結合された前記機械的インターロックを備え、前記機械的インターロックは、短絡の防止を容易にするために、前記第３および第４のコンタクタを開路し、ほぼ同時に前記第１および第２のコンタクタを閉路するように構成される、請求項８記載の電池負荷平準化システム。
溶着された接点を含む障害の場合に、前記第１および第２の電池を並列構成から直列構成に切り換えるのを防止するように構成された前記機械的インターロックを備える、請求項８記載の電池負荷平準化システム。
前記第１の電池と直列に結合された第１のダイオードと、前記第２の電池と直列に結合された第２のダイオードをさらに備え、それにより電力が前記第１および第２の電池から前記負荷へ流れるとき、前記第１および第２の電池が低電圧並列モードに構成されるようになる、請求項１乃至４のいずれかに記載の電池負荷平準化システム。
前記負荷からの両方向の電力の流れすなわち電流の流れに対して、前記第１および第２の電池を高電圧直列モードに電気的に接続する、断路器をさらに備える、請求項１１記載の電池負荷平準化システム。
前記断路器が、逆並列のシリコン制御整流器を用いて実装される、請求項１２記載の電池負荷平準化システム。
前記断路器が、固体スイッチを用いて実装される、請求項１２記載の電池負荷平準化システム。
前記第１および第２の電池が、それぞれ摂氏２６０°より高い温度で動作可能なナトリウム塩化ニッケル電池およびナトリウム硫黄電池のうちの少なくとも１つを含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の電池負荷平準化システム。
電気的分離を可能にし、低温または凍結状態にあるときに前記第１および第２の電池を通ってリーク電流が流れるのを防止するために、前記第１および第２の電池のそれぞれの１つまたは両方の端子と直列に結合された少なくとも１つの断路器をさらに備える、請求項１５記載の電池負荷平準化システム。
前記電池切り換え回路に結合されたコントローラをさらに備え、前記コントローラは、モータ速度、トルクコマンド、受動蓄積素子電圧、および電池ユニット電圧のうちの少なくとも１つに基づいて、前記第１および第２の電池を低電圧並列構成または高電圧直列構成に接続するように構成される、請求項１乃至４のいずれかに記載の電池負荷平準化システム。
前記第１および第２の電池が、ナトリウム塩化ニッケル電池、ナトリウム硫黄電池、燃料電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケルカドミウム電池、および鉛蓄電池のうちの少なくとも１つを含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の電池負荷平準化システム。
前記単方向導通装置がダイオードを含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の電池負荷平準化システム