JP5819021B1 - 電気自動車の駆動用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回生電力充電用の大容量のキャパシタと中容量のキャパシタとを区分使用し、キャパシタ間の電力移動は、負荷電流を供給する給電信号や回生制動を行う回生信号により行い、昇圧回路を兼用して回生電力を余すことなく活用する。【解決手段】ＡＣＤＣ変換部と、昇圧部と、２次電池と、ＡＣＤＣ変換部から出力され、昇圧部で昇圧された回生電力を充放電する第１キャパシタと、第１キャパシタから放電され、昇圧部で昇圧された回生電力を充放電する第２キャパシタと、ＡＣＤＣ変換部と昇圧部との間、及び昇圧部と第１キャパシタとの間に配置され、回生信号が入力するとオン動作する一対の第１スイッチング素子と、第１キャパシタと昇圧部との間、及び昇圧部と第２キャパシタとの間に配置され、給電信号が入力するとオン動作する一対の第２スイッチング素子とを備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、２次電池と大容量キャパシタとを蓄電手段として回生制動で生じた電力を含む充放電を効率的に行い、電気自動車の航続距離を長くすることができる駆動用電源装置に関する。

電気自動車の電源として用いるバッテリには、他の電池に比べて高い電圧が得られ、エネルギー密度が最も大きく、サイクル寿命が長いリチウムイオン電池が多用されている。しかしながら、リチウムイオン電池は高価なため、積載量を大きくして航続距離を長くすれば、自動車が高価格となる。そこで、積載量を減らして航続距離を抑えるかわりに充電時間を短くすることによって折り合いをつけている。そして、駆動用モータの運動エネルギを電気エネルギーに変換して回収することにより車両に回生制動を作用させ、得られた回生電力は、内部抵抗が小さくて充放電時間が短く、比較的安価な大容量キャパシタに蓄電する。そして、蓄電されたその電力を駆動用電源として活用することにより車両価格を抑制しつつ、航続距離を伸ばす方法が一般的に採用されている。今後、さらに航続距離を伸ばすには、エネルギー密度が更に大きい、安価なバッテリを開発する一方、容量が大きくて耐電圧の高い安価なキャパシタを開発し、そのキャパシタの充放電特性を利用して充電時間を短縮することや、回生電力を効率的に活用する最適な方法を考案する必要がある。
キャパシタを用いて回生電力を活用する方法は、これまでに様々な提案がなされている。
例えば、アクセルセンサから加速時であることを検知したら、先ず電気二重層コンデンサから給電し、昇圧してもバッテリ電圧よりも電圧が低下した場合は、バッテリから給電し、ブレーキセンサから減速時を検知したときは、発電電力をインバータで直流に変換し、変換された直流の電圧が電気二重層コンデンサを充電するのにふさわしい電圧になるようにコンバータで降圧する電気自動車電源制御装置が開示されている（特許文献１）。
しかしながら、この方法は、路線バスのように短距離区間毎に停車位置のある走行では可能であるが、長距離乃至は長時間走行を継続的に行うことが求められる一般の自動車には適用できない。
そこで、インバータへの直流電流の大きさと方向を検出して加速時か回生時かを判定し、加速時においては、その直流電流が規定電流以下の場合は、コンバータをオフし、規定電流を超える場合には超える分を電気二重層コンデンサから供給するようにコンバータを昇圧制御し、減速時においては、直流電流が規定電流以下の場合にはコンバータをオフし、超える場合は超える分を電気二重層コンデンサに充電するようコンバータを降圧制御する電気自動車電源制御装置が開示されている（特許文献２）。
また、電力変換回路（コンバータ）を常時作動させるのは、電力損失が大きいので、キャパシタの端子電圧が予め定められた範囲内の場合は、電力変換回路を停止してキャパシタの電力で走行し、予め定められた範囲から外れた場合は、電力変換回路を作動させ、キャパシタの端子電圧が予め定められた範囲を上回るときは、キャパシタの電力で２次電池を充電し、下回るときは、２次電池からキャパシタを充電する車両の制御装置が開示されている（特許文献３参照）。
さらに、燃料電池とキャパシタとをモータと並列に接続し、コンバータを介して２次電池を並列に接続し、キャパシタからの放電が燃料電池や２次電池より優先されるように
コンバータによる２次電池の出力電圧を設定し、回生時には、キャパシタへの充電が２次電池よりも優先されるようにコンバータから２次電池への出力電圧を設定した車両用電源装置が開示されている（特許文献４）

特開平６−８６４０７号公報 特許第３４３０７０９号公報 特許第４１９２６５８号公報 特開２００６−５９６８５号公報

しかしながら、キャパシタは内部抵抗が小さいため、瞬時に充電できる一方、放電によって電圧が急速に低下するため、一つのキャパシタに回生電力を充電し、その回生電力で加速時に要する変動電力を賄う方法は、キャパシタの充放電による電圧の変動が極めて激しいうえ、その電圧によってコンバータなどを制御するのでは、制御が複雑になる。また、キャパシタの端子電圧が予め定められた範囲内の場合には、走行用電力をキャパシタから供給する方法は、キャパシタのほかに燃料電池を並列に設置して、常にキャパシタを充電しておく必要がある。
一方、人間工学的側面からは、人が意識を集中させたままで、疲労を感じたり、判断ミスを犯さない継続走行の目安は２時間である。従って、走行２乃至３時間毎、あるいは高速道の走行距離３００乃至４００キロメートル毎に充電できるようインフラストラクチャーを整備し、そのようなインフラストラクチャーに適応した電気自動車駆動用の電源装置を開発すれば、必然的に休憩時間が確保されることになるので、事故のない社会を構築するのに極めて有効な方法であると思われる。
上記事情に鑑み、本発明は、回生電力を蓄える大容量のキャパシタと、その回生電力の一部を蓄電して加速時などに放電する中容量のキャパシタとを区分使用する一方、キャパシタ間の電力移動は、複雑な制御手段によらずに、電動機に負荷電流を供給する給電信号や回生制動を行う回生信号で行うと共に、それぞれのキャパシタに充電する際に昇圧する昇圧回路を兼用して回生電力を余すことなく活用できるほか、キャパシタを活用して外部電源から瞬時に充電可能な電気自動車の駆動用電源装置を提供することを目的とする。

本発明の駆動用電源装置は、電動機の界磁巻線に給電する直流電力を制御する給電信号及び該界磁巻線に生じる交流電力を回生する回生信号を生成し、該電動機を駆動する電気自動車の駆動部に、上記直流電力を供給し、上記交流電力を回生する駆動用電源装置であって、上記交流電力を直流電力に変換した回生電力を出力するＡＣＤＣ変換部と、入力される電力の電圧を昇圧して出力する昇圧部と、２次電池と、上記ＡＣＤＣ変換部から出力され、上記昇圧部で昇圧された上記回生電力を充放電する大容量の第１キャパシタと、上記第１キャパシタから放電され、上記昇圧部で昇圧された上記回生電力を充放電する第２キャパシタと、上記第２キャパシタと並列に接続され、前記界磁巻線に給電する直流電力を蓄電する２次電池と、上記ＡＣＤＣ変換部の出力端子と上記昇圧部の入力端子との間、及び該昇圧部の出力端子と上記第１キャパシタとの間に配置され、上記回生信号が入力するとオン動作する一対の第１スイッチング素子と、上記第１キャパシタと上記昇圧部の入力端子との間、及び該昇圧部の出力端子と上記第２キャパシタとの間に配置され、上記給電信号が入力するとオン動作する一対の第２スイッチング素子とを備え、上記第２キャパシタ及び上記２次電池に蓄電された直流電力を上記界磁巻線に給電することを特徴とする。
その場合、上記給電信号及び上記回生信号は、何れか一方が生成されるものであって、上記第１スイッチング素子それぞれがオン動作し、上記第２スイッチング素子それぞれがオフ動作したとき、上記昇圧部で昇圧された上記回生電力が上記第１キャパシタに充電され、上記第１スイッチング素子それぞれがオフ動作し、上記第２スイッチング素子それぞれがオン動作したとき、上記第１キャパシタから放電された上記回生電力が上記昇圧部で昇圧されて上記第２キャパシタに充電され、上記第２キャパシタと上記２次電池に充電された電力で上記電動機を駆動することができる。
このように減速時に回生電力を畜電する大容量のキャパシタと走行時に回生電力を給電する中容量のキャパシタとを用意し、電動機の回生制動を制御する回生信号によって昇圧して大容量のキャパシタに充電し、大容量のキャパシタの電圧が２次電池の電圧より低くなっても、昇圧して中容量のキャパシタに移してから電動機の駆動に使用するので、回生電力を余すところなく活用して、大幅に航続距離を伸ばすことができる。また、昇圧は、何れの場合も同一の昇圧手段で昇圧し、昇圧対象の切換えも、スイッチング素子を回生信号と給電信号とで切り換えるだけでよいので、複雑な制御が不要である。なお、ＡＣＤＣ変換部としては、コンバータ、倍圧整流器などが用いられ、そのうちの倍圧整流器は、ダイオードとコンデンサとを用いて低コストで構成することができる。

ここで、上記給電信号は、アクセルペダルを踏み込む力が所定値を超える場合には、該所定値を超える力の大きさに応じてデューティ比が変化するＰＷＭ信号であり、上記回生信号は、該アクセルペダルを踏み込む力が該所定値以下の場合には、該所定値を下回る力の大きさに応じてデューティ比が変化するＰＷＭ信号であっても、あるいはブレーキペダルを踏み込む力が所定値を越える場合には、該所定値を超える力の大きさに応じてデューティ比が変化するＰＷＭ信号であってもよい。
このようすれば、電動機の界磁巻線に給電する直流電力を制御する給電信号と界磁巻線に生じる交流電力を回生する回生信号を第１スイッチング素子や第２スイッチング素子をオンオフするのにも用いることができるので、大容量の第１キャパシタや中容量の第２キャパシタの充放電を複雑な制御なしで行うことができる。
また、上記昇圧部は、２値を有するパルス信号の何れか一方で動作するスイッチング素子を介して並列に接続され、他方で動作するスイッチング素子を介して直列に接続された複数のコンデンサが充放電を繰り返すことにより、入力された電力の電圧を昇圧して出力することができる。なお、上記昇圧部は、チャージポンプ若しくはインダクタ、あるいはインバータによって構成することができる。
さらに、上記第１キャパシタ又は第２キャパシタの電圧が閾値を超えるときは、上記第１スイッチング素子をオン動作させる上記回生信号又は上記第２スイッチング素子をオン動作させる上記給電信号の入力をバイパスし、該第１キャパシタ又は該第２キャパシタの充電を停止する過電圧制限部を備えることや、上記昇圧部への入力電流が閾値を超えるときは、上記ＰＷＭ信号のデューティ比を低下させる過電流信号を出力する過電流制限部を備えることもできる。
このように保護回路を設ければ、過電圧や過電流は制限される一方、放電によって低電圧になっても第１キャパシタの電力を昇圧して余すところなく第２キャパシタに充電することができる。
また、上記第１キャパシタは、第２キャパシタと合わせて、自動車が発進して加速するのに必要なエネルギーを蓄える容量を有すること、すなわち回生制動によって発生するエネルギーよりも大きいエネルギーを蓄えることができるように、上記２次電池に蓄えられるエネルギーの少なくとも二分の一を蓄える容量を有することが好ましい。
さらに、２次電池の端子間電圧を監視し、該電圧を一定値以下に抑制する電圧監視手段と、外部電源を上記第１キャパシタ及び上記第２キャパシタそれぞれに接続する接続手段とを有する充電制御部を備え、上記充電制御部は、上記電圧監視手段により監視電圧が一定値未満の場合には、上記第２キャパシタに充電された電力を上記２次電池に充電することが好ましい。
自動車の保有する走行エネルギーの走行による損失分は２次電池から補充されるので、その損失分は、外部から充電する必要がある。従って、大容量、中容量のキャパシタを２次電池と並列に接続し、それらに外部から充電することにすれば、２次電池を満充電するに足る電力がそれぞれキャパシタに瞬時に充電されるので、走行時等にそれらのキャパシタから２次電池に徐々に充電することにすれば、外部からの充電時間を短縮することができる。その場合、電圧監視手段を備えれば、２次電池に過電圧が加わる恐れがない。

本発明の電気自動車用電源装置によれば、減速時には回生電力を昇圧して、外部電源による充電時には、直接大容量のキャパシタに蓄電し、その電力を走行時に中容量のキャパシタに移して発進や加速などに使用するので、回生電力を効率的に余すところなく活用できる。また、大容量のキャパシタから中容量のキャパシタへの電力の充放電は、複雑な制御手段によることなく、給電や回生を制御する制御信号とＩＧＢＴなどのスイッチング素子で簡便に行うことができる。また回生電力の、大容量キャパシタへの充電、大容量キャパシタから中容量キャパシタへの充電に伴う昇圧は、同一回路を兼用するので昇圧に伴う電力損失やコストの節減が図れる。

図１は本実施形態の駆動用電源装置を示す図である。 図２は本実施形態の昇圧部の一例を示す回路図である。 図３は本実施形態の過電流制限部の一例を示す回路図である。 図４は本実施形態の制御信号生成部の１例を示す回路図である。 図５は本実施形態の充電制御部の一例を示す回路図である。

以下に、本発明の実施形態について、図に基づいて説明する。
図１は、本実施形態の駆動用電源装置を示す図である。
図１に示す駆動用電源装置１は、２次電池１６と２個のキャパシタ１９，２０を備え、電気自動車の駆動部（４０、５０、６０）に走行用の直流電力を供給し、減速した時に生じる交流電力を整流した回生電力を第１キャパシタ１９に充電し、それを昇圧して第２キャパシタ２０に移し、走行用に活用する電源装置である。
駆動部（４０、５０、６０）は、回転子の周囲に配置された複数の磁極それぞれに界磁巻線４１が巻回された電動機本体４０と、その界磁巻線４１に給電する直流電力の大きさ（通電時間）と方向を決定する給電信号３０及び電動機本体４０から回生する回生電力の大きさ（通電時間）を決定する回生信号３５を生成する制御信号生成部６０と、給電信号３０によってオンオフする４つのスイッチング素子（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）により界磁巻線４１に通電する直流電力の通電方向と通電時間とを制御する給電制御部５０とを備えている。
給電信号３０は、アクセルペダルを踏み込む力が所定値を超える場合のその所定値を超える力の大きさに応じてデューティ比が変化するＰＷＭ信号であり、回転子の回転位置に応じて正極性の信号と負極性の信号とが生成され、信号の極性によって界磁巻線４１に通電する直流電力の通電方向が決まり、信号のパルス幅によって給電時の通電時間が決まる。
回生信号３５は、アクセルペダルを踏み込む力が所定値以下の場合のその所定値を下回る力の大きさに応じてデューティ比が変化するＰＷＭ信号であり、信号のパルス幅によって回生時における第１キャパシタ１９への充電時間が決まる。なお、制御信号生成部６０の回路例については、後述する。

電源装置１は、リチウムイオン２次電池と、減速時に回生電力を充放電する大容量の第１キャパシタ１９と、第１キャパシタ１９に充電された回生電力の一部を走行時に昇圧して充放電する第２キャパシタ２０と、パルス信号で動作する複数の半導体素子と複数のコンデンサとを有し、入力される電力の電圧を略３倍に昇圧して出力する昇圧部１４と、界磁巻線４１それぞれに生じる交流電力を倍圧整流して直流電力（回生電力）を出力する倍圧整流器（本発明の「ＡＣＤＣ変換部」に相当する。以下、同じ。）１２と、倍圧整流器１２の出力端子と昇圧部１４の入力端子との間及び昇圧部１４の出力端子と第１キャパシタ１９との間にそれぞれ配置され、回生信号３５によりオンオフ動作する一対の第１スイッチング素子１０と、第１キャパシタ１９と昇圧部１４の入力端子との間及び昇圧部１４の出力端子と第２キャパシタ２０との間にそれぞれ配置され、給電信号３０によりオンオフ動作する一対の第２スイッチング素子１１と、昇圧部１４への入力電流が一定以上になると制御信号生成部６０からのＰＷＭ信号のデューティ比を低減させて電流を抑止し、入力電流が一定未満になると復旧させる過電流制限部１３と、第１キャパシタ１９に過電圧が印加されると第１スイッチング素子１０への回生信号３５の入力をバイパスして充電を停止し、過電圧が解消すると復旧させる第１過電圧防止部１７と、第２キャパシタ２０に過電圧が印加されると第２スイッチング素子１１への給電信号３０の入力をバイパスして充電を停止し、過電圧が解消すると復旧させる第２過電圧防止部１８と、２次電池１６などへの充電を制御する充電制御部１５とを備えている。
充電制御部１５は、２次電池１６の電圧を監視して第２キャパシタ２０又は外部電源（チャージステーション）CSから２次電池１６への過充電を抑止する監視手段と、外部電源CSが接続されたときに、第１キャパシタ１９、第２キャパシタ２０及び２次電池１６と外部電源CSとを並列に接続し、外部電源CSからそれらへ充電を行うルートを形成する接続手段とを有する。
ここで、第２キャパシタ２０についても、第１キャパシタ１９に準ずる静電容量のものを用いれば、リチウムイオン電池を満充電したエネルギーに相当するエネルギーを外部電源CSから瞬時に充電することや、第１キャパシタ１９に充電した回生電力を第２キャパシタ２０に移して、余すところなく活用することができるので、電気自動車の航続距離を大幅に伸ばすことができる。
また、本実施形態の昇圧部は、入力される電力の電圧を略３倍に昇圧して出力するが、必ずしも３倍に昇圧する必要はなく、２倍に昇圧するものであっても、出力電圧が一定になるよう昇圧するものであってもよい。
さらに、本実施形態においては、回生制動によって生じる交流電力を直流電力に変換するＡＣＤＣ変換部として、倍圧整流器を用いているが、必ずしも倍圧整流器である必要は無く、通常の整流器であっても、コンバータであってもよい。
なお、過電流制限部１３、昇圧部１４、充電制御部１５の回路例については、後述する。

次に、走行時及び減速時における電源装置及び電気自動車駆動部の作用について説明する。
本実施形態の駆動用電源装置１を備えた電気自動車の駆動部（４０，５０，６０）は、走行しているときは、充電制御部１５を介して第２キャパシタ２０又は２次電池１６から給電制御部５０に直流電力が給電される。そして、制御信号生成部６０で生成された極性が正の給電信号３０aは、例えばスイッチング素子（Ａ、Ｄ）をオン動作させ、界磁巻線４１の下から上に直流電流が流れ、極性が負の給電信号３０ｂは、例えばスイッチング素子（Ｂ、Ｃ）をオン動作させ、界磁巻線４１の上から下に直流電流が流れ、電動機４５が回転する。その場合、PWM信号のパルス幅が広いときは、スイッチング素子（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）がオン動作する時間が長くなり、通電電流が大きくなるので、電動機４５の回転トルクが大きくなる。
また、極性の如何にかかわらず、給電信号３０が生成されると、第２スイッチング素子１１がオン動作するので、第１キャパシタ１９に回生電力等が充電されている場合には、その回生電力等の電圧が昇圧部１４で約３倍に昇圧されて第２キャパシタ２０に充電される。その場合、第２キャパシタ２０の充電電圧を２次電池１６の定格電圧より高くなるように設定しておけば、自動車が発進する場合や、加速する場合に必要な大きな電流を第２キャパシタ２０に充電された回生電力で補うことができる。なお、定速走行している場合等において、第２キャパシタ２０に充電された余剰電力は、２次電池１６の電圧との差分に応じて、２次電池１６の充電に充当される。
また、昇圧されて第２キャパシタ２０に充電される電圧が、一定値（例えば、第２キャパシタ２０の耐電圧）を超える場合は、第２過電圧防止部１８におけるツエナーダイオード１８１が作動し、それによってＩＧＢＴ素子１８２が動作して、給電信号３０の第２スイッチング素子１１への入力がバイパスされるので、第２キャパシタ２０への充電が停止する。なお、第２キャパシタ２０の電圧が、一定値（例えば、第２キャパシタの耐電圧）未満になれば、第２過電圧防止部１８の動作が停止し、給電信号３０で第２スイッチング素子１１が動作するので、第１キャパシタ１９の電力が昇圧されて第２キャパシタ２０に充電される。

エンジンブレーキの感覚でアクセルペダルから足を離す場合や、ブレーキを踏んで自動車を減速する場合には、電動機４５の回生制動が行われ、界磁巻線４１に交流電力が生じる。その場合、給電信号３０は停止し、回生信号３５のみが生成されるので、第１スイッチング素子１０はオン動作し、倍圧整流器１２で整流された回生電力は、昇圧部１４で略３倍に昇圧されて第１キャパシタ１９に充電される。
第１キャパシタ１９に充電される電圧が、一定値（例えば、第１キャパシタの耐電圧）を超える場合は、第１過電圧防止部１７におけるツエナーダイオード１７１に大きな電流が流れ、それによってＩＧＢＴ素子１７２が動作し、回生信号３５の第１スイッチング素子１０への入力がバイパスされるので、第１キャパシタ１９への充電が停止する。なお、第１キャパシタ１９の電圧が、一定値（例えば、第１キャパシタの耐電圧）未満になれば、第１過電圧防止部１７の動作が停止し、回生信号３５によって第１スイッチング素子１０が動作するので、回生電力が昇圧されて第１キャパシタ２０に充電される。
なお、自動車が走行する場合や減速する場合に、昇圧部１４に入力する電流が一定以上になると過電流制限部１３で過電流信号３８が生成され、その過電流信号３８が制御信号生成部６０によって生成されるPWM信号のデューティ比を低減させるので、電流が減少する。入力する電流が一定未満になると制御信号生成部６０は、通常通りPWM信号を生成し、復旧する。従って、昇圧部１４における各回路素子の破損が防止できる。
ここで、過電流制限部１３は、必ずしもこの構成によらず、例えば大きな電流が流れると抵抗値が大きくなり、電流を抑制するように構成することもできる。

図２は、本実施形態の昇圧部の一例を示す回路図である。
図２に示す昇圧部１４は、２値のパルス信号１４１で動作するチャージポンプ式の昇圧回路と、２値のパルス信号それぞれで充電された３つずつのコンデンサC１、C２の電力双方を蓄電するキャパシタ１４２と、キャパシタ１４２に印加される電圧をそのキャパシタ１４２の耐電圧以下に制限する過電圧防止部１４３とからなる。
昇圧回路は、入力された電力を充電する３つずつのコンデンサC１、C２と、３つずつのコンデンサC１、C２それぞれを入力端子に並列に接続する６つの第１ＩＧＢＴ１４５及び６つのダイオードＤ１と、３つずつのコンデンサC１、C２を入力端子に直列に接続する４つの第２ＩＧＢＴ１４６及び４つのダイオードＤ２、を有し、第１ＩＧＢＴ１４５及び第２ＩＧＢＴ１４６のゲートに２値を持つパルス信号１４１の何れかが入力することによりオン動作し、入力電圧を昇圧する。
すなわち、パルス信号１４１がプラス１のときは、図の上部側の２つの第２ＩＧＢＴ１４６と図の下部側の３つの第１ＩＧＢＴ１４５とがオン動作するので、図の上部側の３つのコンデンサC1それぞれの電圧（概ね入力電圧に等しい）を加えた概ね３倍の電圧がキャパシタ１４２に加わり、図の下部側の３つのコンデンサC2それぞれには入力電圧が印加される。
そして、パルス信号１４１がマイナス１のときは、図の上部側の３つの第１ＩＧＢＴ１４５と図の下部側の２つの第２ＩＧＢＴ１４６とがオン動作するので、図の上部側の３つのコンデンサＣ１それぞれには入力電圧が印加され、図の下部側の３つのコンデンサＣ２それぞれの電圧（概ね入力電圧に等しい）を加えた概ね３倍の電圧がキャパシタ１４２に加わる。
従って、出力端子からは、入力電圧の概ね３倍の電圧が出力される。
過電圧防止部１４３は、ツエナーダイオード１４７と２つのトランジスタ１４８とを有し、ツエナーダイオード１４７に一定電圧（キャパシタの耐電圧）を超える電圧が印加されると大きな電流が流れ、それによって２つのトランジスタ１４８が動作し、２値を持つパルス信号１４１が第１のＩＧＢＴ１４５及び第２のＩＧＢＴ１４６のゲートに入力するのを阻止するので、昇圧回路の昇圧動作が停止する。なお、ツエナーダイオード１４７に印加される電圧が一定電圧（キャパシタの耐電圧）未満になれば、トランジス１４８の動作が停止し、第１のＩＧＢＴ１４５及び第２のＩＧＢＴ１４のゲートに再び２値を持つパルス信号１４１が入力するので復旧する。
ここで、本実施形態の昇圧部１４における昇圧回路は、２値を持つパルス信号１４１で常時動作するように構成されたプッシュプル回路であるが、必ずしもプッシュプル回路である必要は無く、０と１とを持つパルス信号で動作するチャージポンプ式の昇圧回路であってもよいし、インダクタを用いて昇圧する昇圧回路であってもよい。

図３は、本実施形態の過電流制限部の一例を示す回路図である。
図３に示す過電流制限部１３は、倍圧整流器１２の出力（回生電力）が入力する入力端子ＩＮと、分圧抵抗１３２と、ツェナーダイオード１３３と、逆流阻止用ダイオード１３４と、出力端子ＯＵＴとを備えている。
入力端子に過電圧（過電流となる電圧）が入力すると、分圧抵抗器１３２で分圧された電圧がツェナーダイオード１３３の作動電圧を超えるので、ツェナーダイオード１３３が通電する。そして、逆流阻止用ダイオード１３４を経由して、出力端子ＯＵＴに過電流信号３８が出力される。
過電流信号３８は、制御信号生成部６０に送られ、制御信号生成部６０で生成される給電信号３０又は回生信号３５のデューティ比を小さくする。

図４は、本実施形態の制御信号生成部の１例を示す回路図である。
図４に示す制御信号生成部６０は、ＳＣＲ（サイリスタ）６１と、サージ電圧をバイパスするフリーホイールダイオード６２と、ＳＣＲ６１のゲート電圧を得る抵抗６３と、ＳＣＲ６１によるチョッパ信号のデューティ比をコントロールするＰＵＴ（プログラマブルユニジャンクショントランジスタ）６４と、分圧抵抗６５と、ダミー負荷抵抗６６と、ＰＵＴ６４の立ち上がり時間をコントロールする時定数回路６７と、時定数回路６７の電圧を調整する可変抵抗６８と、チョッパ信号発振器から出力されたチョッパ信号を入力する入力端子ＩＮと、所定のデューティ比のＰＷＭ信号（給電信号又は回生信号）を出力する出力端子ＯＵＴと、過電流制限部１３から出力された過電流信号３８の入力端子SＩＮと、により構成されている。したがって、給電信号３０を生成する回路と、回生信号３５を生成する回路とをそれぞれ別個に構成してもよいし、共通にしてもよい。
給電信号３０を生成する場合には、可変抵抗６８は、アクセルペダルを踏み込む力が所定値を超える力の大きさに応じて抵抗値が増加する。
また、回生信号３５を生成する場合には、可変抵抗６８は、アクセルペダルを踏み込む力が所定値を下回る力の大きさに応じて抵抗値が増加するようにしてもよいし、ブレーキペダルを踏み込む力が所定値を越える力の大きさに応じて抵抗値が増加するようにしてもよい。
可変抵抗６８の抵抗値が変化すると、時定数回路６７の電圧が変化し、ＰＵＴ６４の立ち上がり時間も変化するので、ＳＣＲ６１によるチョッパ信号のデューティ比が変化する。その結果、出力端子ＯＵＴからＰＷＭ信号（給電信号又は回生信号）が出力される。また、入力端子SＩＮから過電流信号３８が入力すると、ＰＵＴ６４の作動電圧が上昇するので、設定されたＰＵＴ６４の立ち上がり電圧が上昇し、デューティ比が減少する。その結果、出力端子ＯＵＴからはデューティ比が減少したＰＷＭ信号（給電信号又は回生信号）が出力され、界磁巻線４１に給電される直流電流が減少し、あるいは回生電力を昇圧部１４に入力する時間が短くなる。

図５は、本実施形態の充電制御部の一例を示す回路図である。
図５に示す充電制御部１５は、２次電池１６の端子電圧を監視し、端子電圧が上限値に達したら充電を停止する電圧監視部１５０と、外部電源ＣＳから入力する電力を第１キャパシタ１９と第２キャパシタ２０それぞれに充電する回路を構成する一対のスイッチ１５９とを有する。
一対のスイッチ１５９は、オン動作すると第１キャパシタ１９と外部電源ＣＳとが接続され、第２キャパシタ１９及び２次電池１６と外部電源ＣＳとが接続される。
電圧監視部１５０は、第２キャパシタ２０との接続端子ＶＩＮと、２次電池１６に接続する端子ＢＡＴと、２つのスイッチング素子１５１、１５２と、第１のスイッチング素子１５１のゲート電圧をゼロに保つ抵抗１５３、１５４と、２次電池１６の電圧を分圧し、充電電圧を設定する分圧抵抗１５５、１５６と、ツェナーダイオード１５７と、ツェナーダイオード１５７がオフのときに第２のスイッチング素子１５２のゲート電圧をゼロに保つ抵抗１５８と、を備えている。
２次電池１６の電圧が上昇し、分圧抵抗１５５、１５６の電圧が充電完了電圧になり、ツェナーダイオード１５７が通電すると、第２のスイッチング素子１５２が導通し、第１のスイッチング素子１５１のゲート電圧がゼロになるので、充電が停止する。
第１キャパシタ１９は、２次電池１６に満充電したときのエネルギーの５０％以上のエネルギーが瞬時に充電され、第２キャパシタ２０も、第１キャパシタ１９に準ずるエネルギーを充電することができる。従って、充電時間が十分確保出来ないために２次電池１６が満充電されなくても、第１キャパシタ１９及び第２キャパシタ２０に、２次電池１６に満充電したときのエネルギーに匹敵するか、それ以上のエネルギーが充電されるので、その電力で走行することができる上、２次電池１６に徐々に充電することもできる。

電気自動車のみならず、フォークリフトなどの産業用機械、 電動車椅子、ゴルフ場の電動カートなどにも適用できる。

１ 駆動用電源装置
１０ 第１スイッチング素子
１１ 第２スイッチング素子
１２ 倍圧整流器
１３ 過電流制限部
１４ 昇圧部
１５ 充電制御部
１６ ２次電池
１７ 第１過電圧防止部
１８ 第２過電圧防止部
１９ 第１キャパシタ
２０ 第２キャパシタ
３０ 給電信号
３０a 正の給電信号
３０ｂ負の給電信号
３５ 回生信号
３８ 過電流信号
４０ 電動機本体
４１ 界磁巻線
４５ 電動機
５０ 給電制御部
６１ SCR
６２ フリーホイールダイオード
６３、１５８ 抵抗
６４ PUT
６５、１３２，１５５，１５６ 分圧抵抗
６６ ダミー抵抗
６７ 時定数回路
６８ 可変抵抗
１３３、１４７，１５７，１７１、１８１ ツェナーダイオード
１３４ 逆流防止ダイオード
１４１ パルス信号
１４５ 第１IGBT
１４６ 第２IGBT
１５０ 電圧監視部
１５１、１５２ スイッチング素子
１５９ 一対のスイッチ
１７２、１８２ ＩＧＢＴ素子
CS 外部電源

Claims (6)

1. 電動機の界磁巻線に給電する直流電力を制御する給電信号及び該界磁巻線に生じる交流電力を回生する回生信号を生成して該電動機を駆動する電気自動車の駆動部に、前記直流電力を供給し、前記交流電力を回生する駆動用電源装置であって、
   前記交流電力を直流電力に変換した回生電力を出力するＡＣＤＣ変換部と、
   入力される電力の電圧を昇圧して出力する昇圧部と、
   前記ＡＣＤＣ変換部から出力され、前記昇圧部で昇圧された前記回生電力を充放電する大容量の第１キャパシタと、
   前記第１キャパシタから放電され、前記昇圧部で昇圧された前記回生電力を充放電する第２キャパシタと、
   前記第２キャパシタと並列に接続され、前記界磁巻線に給電する直流電力を蓄電する２次電池と、
   前記ＡＣＤＣ変換部の出力端子と前記昇圧部の入力端子との間、及び該昇圧部の出力端子と前記第１キャパシタとの間に配置され、前記回生信号が入力するとオン動作する一対の第１スイッチング素子と、
   前記第１キャパシタと前記昇圧部の入力端子との間、及び該昇圧部の出力端子と前記第２キャパシタとの間に配置され、前記給電信号が入力するとオン動作する一対の第２スイッチング素子とを備え、前記第２キャパシタ及び前記２次電池に蓄電された直流電力を前記界磁巻線に給電することを特徴とする駆動用電源装置。
2. 前記給電信号及び前記回生信号は、何れか一方が生成されるものであって、
   前記第１スイッチング素子それぞれがオン動作し、前記第２スイッチング素子それぞれがオフ動作したとき、前記昇圧部で昇圧された前記回生電力が前記第１キャパシタに充電され、
   前記第１スイッチング素子それぞれがオフ動作し、前記第２スイッチング素子それぞれがオン動作したとき、前記第１キャパシタから放電された前記回生電力が前記昇圧部で昇圧されて前記第２キャパシタに充電され、
   前記第２キャパシタと前記２次電池に充電された電力で前記電動機を駆動することを特徴とする請求項１記載の駆動用電源装置。
3. 前記給電信号は、アクセルペダルを踏み込む力が所定値を超える場合には、該所定値を超える力の大きさに応じてデューティ比が変化するＰＷＭ信号であり、前記回生信号は、該アクセルペダルを踏み込む力が該所定値以下の場合には、該所定値を下回る力の大きさに応じてデューティ比が変化するＰＷＭ信号であることを特徴とする請求項1記載の駆動用電源装置。
4. 前記給電信号は、アクセルペダルを踏み込む力が所定値を超える場合には、該所定値を超える力の大きさに応じてデューティ比が変化するＰＷＭ信号であり、前記回生信号は、ブレーキペダルを踏み込む力が所定値を越える場合には、該所定値を超える力の大きさに応じてデューティ比が変化するＰＷＭ信号であることを特徴とする請求項1記載の駆動用電源装置。
5. 前記第１キャパシタ又は第２キャパシタの電圧が閾値を超えるときは、前記第１スイッチング素子をオン動作させる前記回生信号又は前記第２スイッチング素子をオン動作させる前記給電信号の入力をバイパスし、該第１キャパシタ又は該第２キャパシタの充電を停止する過電圧制限部を備えたことを特徴とする請求項１記載の駆動用電源装置。
6. 前記昇圧部への入力電流が閾値を超えるときは、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を低下させる過電流信号を出力する過電流制限部を備えたことを特徴とする請求項３又は４記載の駆動用電源装置。