JPH06284509A - 電気自動車の電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電気二重層コンデンサの積層量（直列接続
量）を減らすと共に、回生電力を効率的にバッテリに蓄
積する。 【構成】 電気自動車の加速、定常走行時は、バッテリ
５１から電力が入出力端子１２、制御部１５を介してブ
ラシレスＤＣモータ１３に供給される。一方、減速走行
時は、切換指令信号Ｓ１が制御部１５から切換スイッチ
５７に供給され接続が切り換わる。これにより、ブラシ
レスＤＣモータ１３からの回生電力は、制御部部１５で
昇圧することなく２０Ｖ程度で、電気二重層コンデンサ
５３に蓄積される。電気二重層コンデンサ５３の電力蓄
積を電圧信号Ｖｃから検出すると、制御部１５は充電指
令信号Ｓ２を出力する。これにより、充電スイッチ５５
３が接続されると共に、ＤＣ−ＤＣコンバータ５５１
は、電気二重層コンデンサ５３の電力を、２６０Ｖ、１
４Ａに制御して、バッテリ５１に充電する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は電気自動車の電源装置
に係り、詳細には、バッテリと大容量のコンデンサとを
備えた電気自動車の電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】モータを駆動源とする電気自動車や、モ
ータと従来の内燃機関とを駆動源とするハイブリット車
が開発され実用化されるようになっている。このよう
な、電気自動車やハイブリット車では、その駆動源とし
てのモータを駆動するための直流電源として、例えば、
２４０ボルト程度のバッテリが搭載されている。そし
て、加速または定速走行時にバッテリから電力を取り出
し、運転者の走行要求に応じた電流をインバータを介し
てモータに供給することで、モータを駆動している。一
方、電気自動車の減速時には、モータによって駆動した
エネルギを有効に回収するために、モータで発生する電
力をバッテリに回生するようにしている。

【０００３】ところで、従来の電源装置では、加速およ
び減速時の走行条件によっては、バッテリに対して急速
な放電および充電が行われることがある。このような急
速な充放電を繰り返すと、充放電の効率が低下したり、
バッテリの劣化を早めたりするという問題があった。こ
のようなバッテリの急速充電等を防止するために、例え
ば、特開昭４９−３７３１７号公報に示されるように、
キャパシタ（コンデンサ）とバッテリを並列に接続した
技術が提案されている。コンデンサは、バッテリに比較
して内部抵抗が小さいため、モータからの回生エネルギ
を効率的に蓄積することができる。このコンデンサに蓄
積したエネルギを、バッテリに回生し、またはモータの
駆動に再利用している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記回生電
流を蓄積するコンデンサは、バッテリに並列に接続され
るので、バッテリ電源電圧以上の耐圧が必要となると共
に電流容量も必要となる。そこで、上記キャパシタの耐
圧、大容量化のために、コンデンサを多数直・並列に接
続する必要がある。ところが、コンデンサを多数直列に
接続ことは困難である。例えば、電気二重層コンデンサ
は、容量型コンデンサに比較して極めて高い容量である
が、耐電圧が一般に約１ボルト程度と低い。このため、
２４０ボルト以上の電圧に耐えるようにするためには、
２４０個以上の電気二重層コンデンサを直列に積層する
必要があり、やはり大型化するという問題がある。ま
た、多数のコンデンサを直列に積層すると、１つのコン
デンサが故障して開放してしまうと、他の全てのコンデ
ンサが使用不可能になるという問題もあった。

【０００５】そこで、本発明は、コンデンサの積層量
（直列接続量）を減らすと共に、回生電力を効率的にバ
ッテリに蓄積することが可能な電気自動車の電源装置を
提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、駆動力の少なくとも一部をモータで発生させる電気
自動車のモータ駆動回路と、このモータ駆動回路を介し
て前記モータに接続されたバッテリと、前記モータ駆動
回路に対して、前記バッテリと並列に接続された大容量
コンデンサと、この大容量コンデンサと前記バッテリ
を、各々独立して前記モータ駆動回路に接続しおよび切
断する接断手段と、前記大容量コンデンサの電圧を昇圧
して前記バッテリに充電する充電手段、とを電気自動車
の電源装置に具備させて、前記目的を達成する。

【０００７】

【作用】本発明では、電気自動車のモータ駆動回路から
回生される電力を、大容量コンデンサに蓄える。その電
力を充電部において、例えば低電流で、バッテリよりも
高電圧に制御してバッテリに充電する。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の電気自動車の電源装置におけ
る一実施例を図１ないし図３を参照して詳細に説明す
る。図１は、本実施例の電源装置を備えた電気自動車の
駆動制御システムを表したものである。この図１に示す
ように電気自動車は、モータ駆動用の電圧２４０ボルト
の電力を制御部に供給する電源装置１１を備えている。
電源装置１１は、入出力端子１２を備えており、この入
出力端子１２を介して制御部１５と接続されている。

【０００９】電源装置１１から供給される電力は、平滑
コンデンサ３４と、パワートランジスタ２１〜２６等で
構成されたブリッジ回路２０によって三相交流に変換さ
れ、ブラシレスＤＣモータ１３に供給されるようになっ
ている。ブリッジ回路２０の各パワートランジスタ２１
〜２６のそれぞれには、逆並列にフライホイルダイオー
ド２１ｆ〜２６ｆが接続されている。通常、ベースドラ
イブ２８によるブリッジ回路２０のスイッチング制御に
より、ブラシレスＤＣモータ１３からの回生電力は、所
定電圧に昇圧されて電源装置１１に供給される。これに
対して、本実施例では、ベースドライブ回路２８は回生
時のスイッチング制御を行わず、回生電力はブラシレス
ＤＣモータ１３による発電電力のままフライホイルダイ
オード２１ｆ〜２６ｆを介して電源装置１１に供給され
るようになっている。ブラシレスＤＣモータ１３の回転
軸１４は、電気自動車の駆動機構に連結されるととも
に、回転子位置検出器としてのレゾルバ１６に接続され
ている。レゾルバ回路１８は、レゾルバ１６を励磁して
レゾルバ信号ａを入力し、電流波形制御回路１９へ励磁
位置を表す信号ｂを出力するようになっている。

【００１０】メインコンピュータ２９には、アクセルペ
ダルの踏み込み量、自動車の速度を検出する速度センサ
からの信号等の各種信号ｅ１〜ｅ５が入力されると共
に、その他、電圧出回路３１からの電圧値信号Ｖ等の各
種検出信号が入力される。メインコンピュータ２９は、
これら各信号ｅ、Ｖに応じて、要求電流を指令するため
の電流指令信号ｊ１、回転方向指令信号ｊ２、回生信号
ｊ３、および運転指令信号ｊ４を電流波形制御回路１９
に供給する。また、メインコンピュータ２９は、各信号
ｅ、Ｖに応じて、電源装置１１に対して切換制御信号Ｓ
１、充電指令信号Ｓ２を供給するようになっている。

【００１１】電流波形制御回路１９は、前述の信号ｊ、
ｂの他に、電流センサ１７からの信号ｓ、ｔを入力し、
自動車の負荷条件、例えばアクセルやブレーキの踏み込
み量などに対応した電流がブラシレスＤＣモータ１１に
供給されて所定のトルクが得られるように制御するため
の回路である。すなわち、電流波形制御回路１９は、こ
れらの信号ｊ、ｂ、ｓ、ｔに基づいて、要求電流に対応
したデューティ比を有するＵＶＷ相のパルス幅変調（Ｐ
ＷＭ）信号ｄをベースドライブ回路２５に出力するよう
になっている。ベースドライブ回路２８は、このＰＷＭ
信号ｄに従って、ブリッジ回路２０の各パワートランジ
スタ２１〜２６を駆動制御する。電圧検出回路３１は、
図示しないアナログ−ディジタル変換回路を備えてお
り、電源装置１１内に配置された後述するバッテリ５１
や電気二重層コンデンサ５３の電圧を直接検出し、検出
した電圧値をディジタル値に変換して電圧値信号Ｖｂ、
Ｖｃを出力するようになっている。

【００１２】また、電源装置１１に接続された電源回路
３３は、電源装置１１から供給される電圧を所定の電
圧、例えば１２ボルトといった低電圧に変換する。この
低電圧の電源は、ベースドライブ回路２８に供給され、
また、ＥＣＵ（エリクトロニック・コントロール・ユニ
ット）や、パワーウインド、ヘッドライト等の補機に対
しても供給される。

【００１３】図２は、本実施例における電源装置１１の
構成を表したものである。電源装置１１は、入出力端子
１２を介して、ブラシレスＤＣモータ１３を駆動するた
めの電力を制御部１５に供給するバッテリ５１と、制御
部１５、入出力端子１２を介してブラシレスＤＣモータ
１３から供給される回生電力を蓄積する大容量の電気二
重層コンデンサ５３を備えている。電源装置１１は、ま
た、電気二重層コンデンサ５３の電圧を昇圧してバッテ
リ５１を充電する充電部５５、制御部１５に続続される
バッテリ５１と電気二重層コンデンサ５３との接続切換
を行う切換スイッチ５７を備えている。この実施例にお
いて、充電部５５は充電手段として機能し、切換スイッ
チ５７は接断手段として機能する。

【００１４】バッテリ５１と電気二重層コンデンサ５３
とは互いに並列に接続されている。すなわち、バッテリ
５１の陽極側と電気二重層コンデンサ５３の一方の端子
側とが、切換スイッチ５７を介して接続されている。一
方、バッテリ５１の陰極側と電気二重層コンデンサ５３
の他方の端子とは、共に、電気自動車の本体に接地され
ている。これらバッテリ５１および電気二重層コンデン
サ５３の電圧Ｖｂ、Ｖｃは、それぞれ制御部１５の電圧
検出回路３１において検出されるようになっている。

【００１５】バッテリ５１としては、鉛酸蓄電池、ニッ
ケルカドミウム電池、ナトリウム硫黄電池、リチウム２
次電池、水素２次電池、レドックス型電池等の各種２次
電池が使用される。このバッテリ５１は、複数台の２次
電池を直列に、又は直並列に接続することによって、例
えば２４０〔Ｖ〕の電圧となるように構成されている。

【００１６】一方、大容量の電気二重層コンデンサ５３
は、単位体積当たりの容量が大きく、更に、低抵抗で出
力密度が大きいコンデンサであり、その容量は、その占
有する体積とのバランスを考慮して決定し、本実施例で
は、例えば９Ｆ以上の大容量のコンデンサが使用され
る。電解質溶液に電極を浸すと電極は一般にある電位を
示し、この電位の符号と反対符号のイオンが溶液から電
極近傍に引き寄せられ、電極と溶液の界面に電気二重層
が形成される。この電気二重層コンデンサ５３は、この
ような分極性電極と電解質界面で形成される電気二重層
を利用した電気化学コンデンサである。

【００１７】ここで、電気二重層コンデンサ５３の製造
について説明する。多孔質活性炭と塩化ルテニウムの混
合溶液中に過酸化水素を滴下して酸化ルテニウムの担持
された多孔質活性炭を得る。該活性炭を結着剤とともに
集電板の機能をする支持板に圧着して分極性電極を成形
する。この分極性電極を一定の間隔に対向させた真ん中
に分離膜を配置して、両端をガスケットで封じ、生じた
空間内に電解液を充填して大容量の電気二重層コンデン
サ５３を構成する。電気自動車のブラシレスＤＣモータ
１３で発電され、制御部１５におけるブリッジ回路２０
のフライホイルダイオードを介して回生される電力の電
圧は２０数ボルト程度である。このため、電気二重層コ
ンデンサ５３は、この２０数ボルトの電圧に耐え得るよ
うに、複数段、例えば２０数段積層されている。また、
電気二重層コンデンサ５３のエネルギ密度は、分極性電
極として酸化ルテニウムの微粒子を担持させた多孔質活
性炭または活性単繊維を使用した場合、２Ｗｈ／ｋｇで
ある。このように構成した電気二重層コンデンサ５３で
は、分極性電極として酸化ルテニウムの微粒子を担持さ
せた多孔質活性炭または活性炭繊維を用いることで、従
来の電気二重層コンデンサより、容量が高く、酸化ルテ
ニウム微粒子を使用した疑似容量によるコンデンサより
も比表面積を大きくでき、しかもコストを低く抑えるこ
とができる。

【００１８】バッテリ５１および電気二重層コンデンサ
５３は、切換スイッチ５７を介して電源装置１１の入出
力端子１２と接続されている。この切換スイッチ５７
は、アンド素子、オア素子等の無接点論理素子で構成さ
れており、制御部１５のメインコンピュータ２９から出
力される切換指令信号Ｓ１によって接・断されるように
なっている。切換スイッチ５７はバッテリ５１の陽極と
入出力端子１２とを接・断するスイッチ５７１と、電気
二重層コンデンサ５３と入出力端子１２とを接・断する
スイッチ５７３とを備えている。これら両スイッチは切
換指令信号Ｓ１の供給によって、互いに連動して動作
し、異なる接・断状態でオン、オフされる。すなわち、
切換指令信号Ｓ１がが供給されていない場合、スイッチ
５７１がオン状態、スイッチ５７３がオフ状態である。
この状態から切換指令信号Ｓ１が制御部１５のメインコ
ンピュータから供給されると、スイッチ５７１がオフ状
態に、スイッチ５７３がオン状態に連動して切り換わる
ようになっている。

【００１９】充電部５５は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５５
１と、充電スイッチ５５３を備えおり、共に、制御部１
５のメインコンピュータから充電指令信号Ｓ２が供給さ
れることによって動作するようになっている。ＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータ５５１は、電気二重層コンデンサ５３に蓄
積された電力を、バッテリ５１の電圧よりも高い電圧、
例えば２６０ボルトに昇圧する。そして、電流値１４ア
ンペアでバッテリ５１を充電するようになっている。充
電スイッチ５５３は、切換スイッチ５７と同様に無接点
論理素子で構成されており、制御部１５のメインコンピ
ュータ２９から出力される充電指令信号Ｓ２によって接
・断されるようになっている。充電スイッチ５５３は通
常オフ状態であり、充電指令信号Ｓ２が供給されること
によってオン状態になり、スイッチが接続される。この
充電指令信号Ｓ２が充電部５５に供給されることによ
り、ＤＣ−ＤＣコンバータ５５１も動作を開始するよう
になっている。

【００２０】次に、このように構成された実施例の動作
について説明する。制御部１５のメインコンピュータ２
９は、各種入力信号ｅから、電気自動車の走行状態を監
視している。そて、電気自動車が加速走行、定速走行を
行っている場合、切換指令信号Ｓ１は切換スイッチ５７
に供給されず、電気二重層コンデンサ５３と制御部１５
の接続が開放され、バッテリ５１と制御部１５が入出力
端子１２を介して接続される。これにより電気自動車の
走行に必要な電力は、バッテリ５１から供給される。

【００２１】一方、電気自動車が減速走行を行うと、制
御部１５は切換指令信号Ｓ１を切換スイッチ５７に供給
する。これによりスイッチ５７１、スイッチ５７３の接
続は切り換わり、バッテリ５１の接続が開放され、電気
二重層コンデンサ５３が入出力端子１２を介して制御部
１５と接続される。このとき減速による回生電力は、制
御部１５のブリッジ回路２９のフライホイルダイオード
を介して電源装置１１に供給され、更に入出力端子１２
を介して電気二重層コンデンサ５３に蓄電される。電気
二重層コンデンサ５３は、バッテリ５１よりも内部抵抗
が小さいため、回生電力は効率的に蓄積される。

【００２２】電気二重層コンデンサ５３に電力が蓄積さ
れると、メインコンピュータ２９は、電圧検出回路３１
から供給される電気二重層コンデンサ５３の電圧Ｖｃを
検出し、充電指令信号Ｓ２を供給する。充電部５５で
は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５５１により、２６０ボルト
に昇圧し、１４アンペアの電流値でバッテリ５１を充電
する。このように、比較的低電流での充電が行われるた
め、バッテリ５１に安定した状態で充電され、急速充電
等による劣化が防止される。このとき、制御部１５のメ
インコンピュータからは、充電指令信号Ｓ２が供給さ
れ、充電スイッチ５５３はオン状態である。メインコン
ピュータ２９は、電圧検出回路３１で検出される電気二
重層コンデンサ５３の電圧Ｖｃを監視しており、蓄積し
た電荷が無くなるまで、充電指令信号Ｓ２を供給する。

【００２３】減速走行が終了し、走行停止、加速走行、
定速走行のいずれかに移行すると、メインコンピュータ
２９は切換指令信号Ｓ１の供給を終了し、切換スイッチ
５７は元の状態に復帰する。加速走行または定速走行に
移行した場合には、再びバッテリ５１から走行に必要な
電力が入出力端子１２を介して制御部１５に供給され
る。ただし、充電指令信号Ｓ２は、前記したように電気
二重層コンデンサ５３の電荷がなくなるまで供給され
る。このため、充電指令信号Ｓ２が充電部５５に供給さ
れている間は、電気二重層コンデンサ５３から充電部５
５を介して、制御部１５に、または制御部１５とバッテ
リ５１に電力が供給される。なお、メインコンピュータ
２９は、電圧検出回路３１で検出されるバッテリ５１の
電圧Ｖｂからバッテリ容量を監視している。そしてバッ
テリ５１が満充電状態の場合には、加速走行、または定
速走行の場合にのみ充電指令信号Ｓ２を出力し、電気二
重層コンデンサ５３からの電力は電気自動車の駆動よう
に使用される。

【００２４】図３は電気自動車の走行状態に対する各部
の状態変化を表したものである。電気自動車は、各区間
から区を図３（Ａ）に示す各状態で走行、停止した
ものとする。この各状態における同図（Ｄ）に示すバッ
テリ容量の変化について、各区間毎に説明する。 区間；電気自動車の加速走行時で、ブラシレスＤＣモ
ータ１３の駆動に大電力を必要とする。この電力はバッ
テリ５１から供給され、バッテリ容量は、多少、急に減
少する 区間；定速走行時で、この場合もバッテリ５
１から電力が供給される。定速走行なので、バッテリ容
量は加速走行時の区間よりも緩やかに減少する。 区間；減速走行による回生時で、切換信号Ｓ１の供給
によって切換スイッチ５７が切り換わるため、回生電力
の電気二重層コンデンサ５３への蓄積が開始する（図３
（Ｃ））。また、充電指令信号Ｓ２の供給により、その
電力がＤＣ−ＤＣコンバータ５５１を介して充電される
ため、バッテリ容量は、増加する。 なお、区間において、斜線で示す減速による駆動エネ
ルギ（図３（Ｂ））が電気二重層コンデンサ５３に蓄積
される（同図（Ｃ））。斜線のない部分が電気二重層コ
ンデンサ５３の内部抵抗などによるエネルギロスとなる
部分であるが、この内部抵抗はバッテリ５１の内部抵抗
よりも小さいので、エネルギロスは小さく抑えられ、効
率的に回生電力が回収されている。

【００２５】区間；走行停止時で、電気二重層コンデ
ンサ５３への回生電力の蓄積はないが、既に蓄積されて
いる電力がＤＣ−ＤＣコンバータから充電されるため、
区間と同一の傾きでバッテリ容量が増加する。 なお、区間、において、バッテリ容量の傾きが一定
（増加率一定）であるが、これは、ＤＣ−ＤＣコンバー
タ５５１により継続的に一定電圧、一定電流（２６０ボ
ルト、１４アンペア）で充電しているためである。 区間；電気二重層コンデンサ５３には電荷がまだ多少
蓄積されているが、電気自動車が再び加速走行を開始し
たため、ＤＣ−ＤＣコンバータ５１で昇圧された電力
は、バッテリ５１の充電に使用されず、モータ駆動に使
用される。このため、バッテリ容量は一定値となる。 ただし、加速が急激でより多くの電力が必要とされる場
合には、電力の不足分がバッテリ５１から供給されるた
め、バッテリ容量は減少する。逆に、加速が緩やかでＤ
Ｃ−ＤＣコンバータ５１で昇圧後の電力が余る場合に
は、バッテリ容量が増加する。

【００２６】区間；電気二重層コンデンサ５３に蓄積
されていた電荷が終了したため、再びバッテリ５１から
加速のための電力が供給され、バッテリ容量は減少す
る。この場合の減少率（傾き）は、区間の加速率より
も低いが、ほぼ区間と同程度の傾きでバッテリ容量が
減少する。 区間；再び定速走行に入る。区間よりも速度が低い
が、駆動力（図３（ｂ））はほぼ区間と同一であり、
従って、バッテリ容量も区間と同じように緩やかに減
少する。 区間；再び回生、停止時で、区間と同様に変化
する。区間以降は、電気二重層コンデンサ５３からの
充電もなくモータへの電力も不要なため、バッテリ容量
は一定のままである。

【００２７】以上説明した実施例では、電気二重層コン
デンサ５３として、分極性電極として酸化ルテニウムの
微粒子を担持させた多孔質活性炭または活性炭繊維を用
いたが、本発明はこの構成に限られるものではない。例
えば、活性炭粉末とバインダであるＰＦＴＥ粉末とを形
成した分極性電極と集電電極とを複合して構成される電
極を２個使用し、その電極間に電解液を収容して構成し
た通常の電気二重層コンデンサ５３を使用してもよい。
また、電気二重層コンデンサ５３以外に、他の大容量コ
ンデンサを使用し、これに回生電力を蓄積した後に、Ｄ
Ｃ−ＤＣコンバータで電圧を昇圧して比較的低電力、例
えば１４アンペアでバッテリに充電するようにしてもよ
い。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、電気自動車のモータ駆
動回路からの回生電力を大容量コンデンサに蓄積し、充
電手段で昇圧してバッテリに充電することとしたので、
大容量コンデンサの積層量（直列接続個数）を減らすこ
とができ、信頼性、耐久性を向上させることができる。
また、回生電力を効率的にバッテリに蓄積し、利用する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における電源装置を備えた電
気自動車のシステム構成図である。

【図２】同上、電源装置の構成図である。

【図３】同上、電気自動車の走行状態に対する各部の状
態変化を示す説明図である。

【符号の説明】

１１ 電源装置 １２ 入出力端子 １５ 制御部 ５１ バッテリ ５３ 電気二重層コンデンサ ５５ 充電部 ５５１ ＤＣ−ＤＣコンバータ ５５３ 充電スイッチ ５７ 切換指令スイッチ ５７１、５７３ スイッチ Ｓ１ 切換指令信号 Ｓ２ 充電指令信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堂腰 仁 東京都千代田区外神田２丁目19番12号 株 式会社エクォス・リサーチ内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動力の少なくとも一部をモータで発生
   させる電気自動車のモータ駆動回路と、 このモータ駆動回路を介して前記モータに接続されたバ
   ッテリと、 前記モータ駆動回路に対して、前記バッテリと並列に接
   続された大容量コンデンサと、 この大容量コンデンサと前記バッテリを、各々独立して
   前記モータ駆動回路に接続しおよび切断する接断手段
   と、 前記大容量コンデンサの電圧を昇圧して前記バッテリに
   充電する充電手段とを具備することを特徴とする電気自
   動車の電源装置。