JPH1084601A

JPH1084601A - モータ駆動用電源装置

Info

Publication number: JPH1084601A
Application number: JP8239613A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Takehara; 淳竹原; Norihiro Ookubo; 典浩大久保; Kuniaki Miyaoka; 邦明宮岡; Hiroshi Shibuya; 紘渋谷; Tetsuo Fukuda; 哲夫福田; Nobuto Onuma; 伸人大沼
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc; Tokyo R&D Co Ltd
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc; Tokyo R&D Co Ltd
Priority date: 1996-09-10
Filing date: 1996-09-10
Publication date: 1998-03-31
Anticipated expiration: 2016-09-10
Also published as: JP3541238B2

Abstract

(57)【要約】【課題】モータ駆動用電源装置、特に、電気自動車、
電気スクータ、電気自転車等の動力用モータを駆動する
のに適した電源装置を提供する。【解決手段】第１電力変換器の出力端をモータに結合
し、この第１電力変換器の入力端を電池及びコンデンサ
の直列回路にスイッチ回路を介して接続する。スイッチ
回路は、電池の両端、又は直列回路の両端を選択的に第
１電力変換器に結合する。第２電力変換器の入力端をモ
ータに結合し、その出力端は、コンデンサを充電可能な
ように結合する。制御回路は、アクセル等の状態に応じ
て、第１電力変換器、第２電力変換器及びスイッチ回路
を制御する。この制御回路は、モータの力行時に、モー
タの必要とする電力に応じてスイッチ回路の導通及び非
導通を制御して、コンデンサからモータに供給する電力
を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、モータ駆動用電源
装置、特に、電気自動車、電気スクータ、電気自転車等
の動力用モータを駆動するのに適した電源装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】電気自動車、電気スクータ、電気自転車
用の動力用モータを駆動する電源装置としては、電池及
びコンデンサを並列接続し、この並列回路からの出力を
電力変換器を介してモータに供給するハイブリッド電源
装置が従来から多数提案されている。この場合、モータ
の負荷変動に応じて、コンデンサは、短時間ながら大電
力をモータに供給する機能を果たし、電池は、小電力な
がら長時間にわたって平均電力をモータへ供給する機能
を果たす。これは、電池のピーク負荷を減らし、電池の
寿命を延長すると共に、実質的に電力容量を拡大するた
めである。

【０００３】かかる従来のモータ駆動用電源装置の一例
を図８に示す。高電圧を発生するために直列接続された
複数個の電池のグループ１０と、直列接続された複数個
のコンデンサのグループ１２とは、マイナス（−）側が
共通電位となり、プラス（＋）側が電流制御回路１４を
介して並列接続されている。なお、電流制御回路１４
は、電池グループ１０から過電流が流れるのを防止する
ためのものであり、電池グループ１０及びコンデンサ・
グループ１２の並列回路からの電圧は、モータ駆動回路
である電力変換器１６を介して直流モータ１８の両端に
供給される。電力変換器１６は、チョッパ又はインバー
タであり、図示しない制御回路によりその動作が制御さ
れる。

【０００４】電力変換器１６にチョッパを用いる場合の
一例を図９に示す。入出力端子４０及び４２は、電力変
換器１６の左側の２つの端子に対応し、入出力端子５４
及び５６は、電力変換器１６の右側の２つの端子に対応
する。端子４０及び４２間には、パワー・トランジス
タ、絶縁ゲート・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果
トランジスタ（ＦＥＴ）などのトランジスタ４４及び４
６のドレイン・ソース（又はコレクタ・エミッタ）が図
示のように直列接続され、これらトランジスタのゲート
（又はベース）が制御回路からの制御パルス信号を受け
る。トランジスタ４４及び４６のコレクタ及びエミッタ
間（又は、ドレイン及びソース間）には、ダイオード４
８及び５０が逆極性に夫々接続され、これらダイオード
４８及び５０の共通接続点がチョーク・コイル５２を介
して端子５４に接続される。また、端子４０及び４２間
には、スイッチング素子であるトランジスタの動作によ
って生じる電源の電圧変動を安定化させるために、電解
コンデンサ４１を接続する。

【０００５】モータ１８を回転駆動させる力行時には、
電力変換器１６内のトランジスタ４６が常時非導通とな
り、トランジスタ４４が制御回路からの制御パルス信号
に応じて導通及び非導通を繰り返す。よって、電力変換
器１６は、電池グループ１０及びコンデンサ・グループ
１２の並列回路からの電圧を制御パルス信号の導通及び
非導通の時間比、即ち、衝撃係数に応じて降圧して、モ
ータ１８に供給する。また、モータ１８への駆動電圧の
供給を停止させる回生時には、モータ１８が発電機とし
て機能する。この間、制御回路により、電力変換器１６
内のトランジスタ４４が常時非導通に制御され、トラン
ジスタ４６が制御回路からの制御パルス信号に応じて導
通及び非導通を繰り返す。よって、電力変換器１６は、
モータ１８が発電した電圧（回生電圧）を昇圧してコン
デンサ・グループ１２を充電（蓄電）する。コンデンサ
・グループ１２に充電したエネルギーをモータの力行時
に再利用して、電源装置全体の効率を改善している。ま
た、力行時には、制御パルス信号の衝撃係数に応じて電
力変換器１６の降圧の程度を制御することにより、モー
タの回転速度や、トルク等を制御できる。

【０００６】従来のモータ駆動用電源装置の他の例を図
１０に示す。図８の従来技術との相違点は、電池グルー
プ１０及びコンデンサ・グループ１２のプラス側を半導
体スイッチ２０により、交互に高速で選択し、選択され
た電圧を電力変換器１６に供給する点である。なお、半
導体スイッチ２０には、パワー・トランジスタ、絶縁ゲ
ート・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジス
タ（ＦＥＴ）などを利用でき、スイッチ制御回路２２
で、スイッチ２０の高速切換を制御する。この従来技術
も図８の場合と同様に、モータ１８の力行時には、電力
変換器１６がスイッチ２０の出力電圧を降圧してモータ
１８に供給する。また、モータ１８の回生時には、モー
タ１８の発電電圧を電力変換器１６が昇圧し、スイッチ
２０を介してコンデンサ・グループ１２を充電する。こ
の充電したエネルギー（蓄電エネルギー）は、図８の従
来技術と同様に、モータの力行時に再利用される。

【０００７】ところで、モータを駆動するための電力を
コンデンサから得るには、コンデンサは、大容量でなけ
ればならない。しかし、大容量のコンデンサであって
も、コンデンサの充電エネルギーは電池に比べると１桁
以上小さいため、コンデンサに蓄積されたエネルギーを
有効利用する必要がある。コンデンサの蓄電エネルギー
を総て使用するということは、コンデンサの電圧がゼロ
になるまで使うということである。しかし、図８及び図
１０に示した従来技術は、コンデンサ１２の電圧も用い
て電力変換器１６によりモータ１８を駆動しているが、
この駆動にはある程度以上の電圧が必要である。よっ
て、コンデンサ１２の電圧がゼロになる前に、電力変換
器１６及びモータ１８が動作しなくなるので、コンデン
サ１２の蓄電エネルギーを使いきることができない。こ
れは、コンデンサ１２の端子に昇圧回路を設けても、結
局は同じであり、コンデンサ１２の蓄電エネルギーを使
いきることができない。

【０００８】また、大容量コンデンサの主流は、電気二
重層コンデンサであるが、このコンデンサは、電解液の
電気分解を防止するために、１セル当たりの電圧を１〜
５ボルト程度にしかできない。よって、モータを駆動す
るためには、モータが必要とする電圧まで高くしなけれ
ばならないので、複数個の電気二重層コンデンサを直列
接続しなければならない。しかし、各コンデンサでの電
圧のバランスの問題が生じる。この問題は、直列接続し
た総てのコンデンサを充電した後に、コンデンサが内部
抵抗により自己放電するが、この自己放電のバラツキが
非常に大きいことに起因する。このため、時間経過に伴
って、あるコンデンサでは、その電圧がゼロ・ボルトに
なってしまう。この状態では、放電すると、ゼロ・ボル
トのコンデンサが下限を守れなくなり、また、充電する
と、別のコンデンサが上限を守れなくなるので、充電及
び放電ができなくなってしまう。

【０００９】そこで、上述のコンデンサの蓄電エネルギ
ーを使いきれないという問題と、複数のコンデンサを直
列接続した場合の問題を解決するために、図１１に示す
モータ駆動用電源装置が提案されている。この電源装置
では、モータ１８の力行時に、第１電力変換器２８が、
電池２６及びコンデンサ２４の直列回路の電圧を降圧し
て、モータ１８に駆動電圧を供給する。また、モータ１
８の回生時には、第２電力変換器３２が、モータ１８か
らの発電電圧を受けて降圧し、コンデンサ２４に充電電
圧を供給する。なお、電力変換器２８及び３２の降圧動
作は、制御回路３４からの制御パルス信号により制御す
る。また、コンデンサ２４の両端には、極性反転防止用
ダイオード３６が接続されている。モータ１８の力行時
にコンデンサ２４の放電が進むと充電電圧が低下し、つ
いには蓄電量がゼロになると極性が反転してしまうが、
このダイオード３６は、コンデンサ２４の極性が反転し
ようとすると導通して、この極性反転を防止する。しか
し、コンデンサ２４の極性が反転しない期間中は、ダイ
オード３６は非導通なので、電源装置の動作に影響しな
い。

【００１０】この図１１に示すモータ駆動用電源装置に
よれば、コンデンサ２４及び電池グループ２６を直列接
続しているので、コンデンサ２４の蓄電電圧が低下して
も、直列回路全体の電圧は電力変換器２８及びモータ１
８を駆動するのに十分な程高く、モータ１８の力行時に
コンデンサ２４の蓄電エネルギーを完全にゼロになるま
で使用できる。また、コンデンサ２４の電圧が電池グル
ープ２６の電圧のように高い必要がなく、低くてもよい
ので、多数のコンデンサを直列接続する必要がない。よ
って、コンデンサの電圧のバランスの問題が小さくな
り、大容量のコンデンサを低電圧仕様のまま使える。よ
って、コンデンサ２４として、安価な電気二重層コンデ
ンサを使用できる。

【００１１】なお、第１電力変換器２８及び第２電力変
換器３２は、図８及び図１０の電力変換器１６と異な
り、一方向の降圧による電力変換を行う。これら第１及
び第２電力変換器の夫々が、チョッパ回路及びＤＣ／Ｄ
Ｃコンバータの一方であるか、又は第１電力変換器がイ
ンバータで、第２電力変換器がＡＣ／ＤＣインバータで
ある。一例として、チョッパの場合を図１２に示す。こ
の図１２において、入力端５８及び出力端６８の間に、
上述のトランジスタ４４又は４６と同様なトランジスタ
６２と、チョーク・コイル６６の直列回路を接続し、こ
れらトランジスタ６２及びコイル６６の共通接続点と、
入力端６０及び出力端７０との間にダイオード６４を接
続する。トランジスタ６２のゲート（又はベース）を制
御回路３４からの制御パルス信号により制御して、この
トランジスタ６２を交互に導通及び非導通として、制御
パルス信号の衝撃係数に応じて、入力端５８及び６０間
の電圧を降圧して、出力端６８及び７０間に出力する。
なお、端子５８及び５９間には、スイッチング素子であ
るトランジスタの動作によって生じる電源の電圧変動を
安定化させるために、電解コンデンサ５９を接続する。

【００１２】

【本発明が解決しようとする課題】ところで、図１１に
示す従来のモータ駆動用電源装置では、コンデンサ２４
の電圧がゼロでない限り、モータ１８の力行中、即ち、
コンデンサ２４の放電期間中に、コンデンサ２４には常
に電流が流れる。電池２６及びコンデンサ２４の力行電
力の配分は、これら電池２６及びコンデンサ２４に流れ
る電流が等しいので、夫々の電圧比となり、この配分比
を任意に変更できない。そのため、モータ１８の要求電
力の総てを電池２４でまかなえる程度に、この要求電力
が少ない場合であっても、コンデンサ２４に充電された
電力を無駄に消費していた。

【００１３】この状態を図１３を参照して更に説明す
る。図１１の電源回路の場合、電池２６及びコンデンサ
２４の間で、電気自動車などの加速（時点０から時点ｔ
１まで）、速度維持（時点ｔ１から時点ｔ２まで）、減
速（時点ｔ２から時点ｔ３まで）に対して、電力の分担
が図１３に示すように行われる。なお、領域Ｂ（点の領
域）は、電池２６が分担した電力を示し、領域Ｃ１（正
の部分の縦線領域）は、コンデンサ２４が放電により分
担した電力を示し、領域Ｃ２（負の部分の縦線領域）
は、コンデンサ２４がモータの回生電力で充電される領
域を示す。この電力の分担は、上述のように、これら電
池２６及びコンデンサ２４に流れる電流が等しいので、
任意に変更できない。

【００１４】コンデンサ２４のエネルギーの蓄積容量が
大きければ問題はないが、コンデンサ２４のエネルギー
密度は、電池２６の場合よりも１桁少ないので、不必要
なときに、コンデンサ２４の蓄積エネルギーを無駄に消
費してしまうと、いざ大電力が必要なときに、コンデン
サ２４の残存エネルギーが少ないという問題が生じる。
すなわち、モータ１８の要求電力が大きいときに、コン
デンサ２４からの放電電力を多くし、要求電力が小さい
ときに、コンデンサ２４からの放電電力を小さくする方
が、コンデンサ２４に受電された電力を効率よく使用で
き、望ましい。

【００１５】したがって、本発明の目的は、モータの力
行時にコンデンサの蓄電エネルギーを完全にゼロになる
まで使用できると共に、電池及びコンデンサの電力負担
の割合を任意に制御して、コンデンサの蓄電エネルギー
をより一層効率的に使用できるモータ駆動用電源装置を
提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
したモータ駆動用電源装置は、図１及び図３に示すよう
に、電池２６及びコンデンサ２４の直列回路と；出力端
がモータ１８に結合された第１電力変換器２８と；この
第１電力変換器２８の入力端を電池２６の両端又は直列
回路の両端に選択的に結合させるスイッチ回路７２、７
５と；入力端がモータ１８に結合され、出力端がコンデ
ンサ２４を充電可能に結合された第２電力変換器３２
と；第１電力変換器２８、第２電力変換器３２及びスイ
ッチ回路７２を制御する制御回路７３とを具えている。
この制御回路７３は、モータ１８の力行時に、モータ１
８の必要とする電力に応じてスイッチ回路７２の導通及
び非導通を制御して、コンデンサ２４から得る電力を調
整する。

【００１７】本発明の請求項２に記載したモータ駆動用
電源装置は、図４に示すように、電池２６及びコンデン
サ２４の直列回路と；第１入出力端の一方が第１スイッ
チ回路７７を介して電池２６のコンデンサと反対側の端
部（プラス端）に結合され、第２入出力端がモータ１８
に結合された第１電力変換器１６と；この第１電力変換
器１６の第１入出力端の他方を電池２６の他端（マイナ
ス端）又はコンデンサ２４の電池と反対側の端部（マイ
ナス端）に選択的に結合させる第２スイッチ回路７２
と；入力端が第１電力変換器１６の第１入出力端に結合
され、出力端がコンデンサ２４を充電可能に結合された
第２電力変換器３２と；第１スイッチ回路７７、第２ス
イッチ回路７２、第１電力変換器１６及び第２電力変換
器３２を制御する制御回路７３とを具えている。制御回
路７３は、モータ１８の力行時に、第１スイッチ回路７
７を閉じ、モータ１８の必要とする電力に応じて第２ス
イッチ回路７２の導通及び非導通を制御して、コンデン
サ２４から得る電力を調整する。

【００１８】本発明の請求項３に記載したモータ駆動用
電源装置は、図５に示すように、電池２６及びコンデン
サ２４の直列回路と；第１入出力端が直列回路の両端に
スイッチ回路７７を介して結合され、第２入出力端がモ
ータ１８に結合された第１電力変換器１６と；入力端が
第１電力変換器１６の第１入出力端に結合され、出力端
がコンデンサ２４を充電可能に結合され、入力端及び出
力端の間が絶縁された第２電力変換器３２０と；スイッ
チ回路７７、第１電力変換器１６及び第２電力変換器３
２０を制御する制御回路７３とを具えている。制御回路
７３は、モータ１８の力行時に、スイッチ回路７７を閉
じ、モータ１８の必要とする電力に応じて第２電力変換
器３２０を制御して、コンデンサ２４から得る電力を実
質的に調整する。

【００１９】本発明の請求項４に記載したモータ駆動用
電源装置は、図７に示すように、電池２６及びコンデン
サ２４の直列回路と；入力端が直列回路の両端に結合さ
れ、出力端がモータ１８に結合された第１電力変換器２
８０と；入力端がモータ１８に結合され、出力端がコン
デンサ２４を充電可能に結合された第２電力変換器３２
０と；第１電力変換器２８０及び第２電力変換器３２０
を制御する制御回路７３とを具えている。制御回路７３
は、モータ１８の力行時に、モータ１８の必要とする電
力に応じて第２電力変換器３２０を制御して、コンデン
サ２４から得る電力を実質的に調整する。

【００２０】

【発明の実施の形態及び実施例】図１は、本発明のモー
タ駆動用電源装置の好適な第１実施例のブロック図であ
り、図１１の電源装置と類似している部分がある。例え
ば、一般的な大容量コンデンサである１個の雷気二重層
コンデンサ２４と、例えば、蓄電池である複数の電池２
６を直列接続し、直列回路とする。この直列回路の電池
グループ２６のコンデンサ２４の反対端（プラス端）
は、単方向性第１電力変換器２８の左側の入力端の一方
（上側）に結合し、コンデンサ２４のマイナス端は、ス
イッチ回路７２を介して、第１電力変換器２８の左側の
入力端の他方（下側）に結合する。スイッチ回路７２の
スイッチ素子は、例えば、リレー、コンタクター、パワ
ー・トランジスタ、絶縁ゲート・トランジスタ（ＩＧＢ
Ｔ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。また、
このスイッチ回路７２の開閉は、制御回路７３からの制
御信号により制御する。コンデンサ２４及び電池グルー
プ２６の共通接続点と、第１電力変換器２８及びスイッ
チ回路７２の共通接続点とを単方向性第２電力変換器３
２の左側の出力端に結合する。また、コンデンサ２４及
びスイッチ回路７２の直列回路の両端には、極性反転防
止用のバイパス・ダイオード３６を結合する。第１電力
変換器２８の右側の出力端及び第２電力変換器３２の右
側の入力端にモータ３０を結合する。制御回路７３は、
電力変換器２８及び３２の動作も制御する。

【００２１】第１電力変換器２８は、モータ１８の力行
時に、コンデンサ２４及び電池グループ２６の直列回路
からの電圧、又は電池２６のみからの電圧を降圧してモ
ータ１８に供給する単方向性のチョッパ又はインバータ
である。第２電力変換器３２は、モータ１８の回生時
に、モータ１８の発電電圧を降圧して、コンデンサ２４
に供給する単方向性のチョッパまたはＡＣ／ＤＣコンバ
ータである。これら第１及び第２電力変換器がチョッパ
の場合、図１２に示す回路を利用できる。この場合、端
子５８及び６０が入力端であり、端子６８及び７０が出
力端である。また、トランジスタ６２のゲート（又はエ
ミッタ）は、制御回路７３からの制御信号を受ける。

【００２２】第１電力変換器１６、第２電力変換器３２
及び制御回路７３の動作電力は、電池２６、又は電池２
６及びコンデンサ２４の直列回路から直接得てもよい
し、電池２６又は直列回路の出力をＤＣ／ＤＣコンバー
タを介して得てもよい。また、電池２６とは別の補助電
源を設けて、そこから得てもよい。さらに、第１電力変
換器２８の力行電力から得たり、第２電力変換器３２の
回生電力から得てもよい。

【００２３】本発明のモータ駆動用電源装置が電気自動
車に使用されている場合、制御回路７３は、アクセル７
４、ブレーキ７６及びクラッチ７８の状態に応じて、電
力変換器２８及び３２に導通／非導通の制御信号を供給
すると共に、スイッチ回路７２に開閉制御信号を供給す
る回路であり、例えば、マイクロプロセッサ・システム
により構成できる。すなわち、制御回路７３は、クラッ
チ７８が結合している状態で、回生状態及び力行状態の
いずれかであると判断する。この状態で、アクセル７４
がオンで且つブレーキ７６がオフであると、力行状態で
あると判断し、その他の場合、即ち、アクセル７４及び
ブレーキ７６が共にオフである場合か、アクセル７４に
関係なくブレーキ７６がオンである場合は、回生状態で
あると判断する。制御回路７３は、この判断に応じて、
適切な制御信号を発生する。

【００２４】次に、モータ１８の消費する電力の分担状
態を示す図２を参照して、図１の第１実施例の動作を更
に説明する。なお、図２は、図１３と同様に、領域Ｂが
電池グループ２６の分担する電力領域を示し、領域Ｃ１
がコンデンサ２４の分担する領域を示し、領域Ｃ２がコ
ンデンサ２４への回生電圧による充電を示す。モータ１
８が力行状態であると制御回路７３が判断すると、この
制御回路７３は、第２電力変換器３２内のトランジスタ
６２を非導通に維持して、この第２電力変換器３２の動
作を停止させる。よって、第２電力変換器３２は、接続
されていないのと同様になる。制御回路７３は、モータ
１８の力行状態において、モータに供給される電圧及び
電流を検出する（検出回路は図示しない）と共に、アク
セル７４の状態を検出して、モータ１８がどの程度の電
力を要求するかを判断する。

【００２５】図２に示す時点０から時点ｔ１までのよう
に、モータ１８の要求電力が小さい場合、総ての電力を
電池グループ２６のみでまかなうことができるので、制
御回路７３は、スイッチ回路７２を開く（非導通にす
る）。よって、電池グループ２６のみがダイオード３６
を介して電力を第１電力変換器２８に供給する。第１電
力変換器２８は、この電圧を降圧して、モータ１８に供
給する。

【００２６】アクセル７４の設定との関係で、コンデン
サ２４からも電力を供給しなければならないレベル（設
定値）、即ち、電池のみの電力分担ではまかなえきれな
いレベルに達したと、制御回路７３が時点ｔ１で判断す
ると、この制御回路７３がスイッチ回路７２を閉じる
（導通にする）。よって、コンデンサ２４に充電された
電気エネルギーによりある電圧と、電池グループ２６の
電圧とが加算されて、この加算された電圧が第１電力変
換器２８により降圧されて、直流モータ１８に供給され
る。よって、コンデンサ２４及び電池グループ２６から
の電流が、第１電力変換器１６、モータ１８及びスイッ
チ回路７２を介してコンデンサ２４に戻り、閉回路が形
成され、モータ１８が回転する。

【００２７】また、アクセル７４の設定との関係で、時
点ｔ２において、モータ１８の要求電力が設定値未満に
なると、制御回路７３は、スイッチ回路７２を再び非導
通にする。よって、コンデンサ２４が切り離されて、電
池グループ２６のみが第１電力変換器２８により降圧さ
れてモータ１８に電力を供給する。この状態が時点ｔ３
まで続く。時点０から時点ｔ３までは、モータ１８の力
行期間中であるので、制御回路７３は、アクセル７４の
状態及びモータ１８に供給される電力との関係から、第
１電力変換器２８に供給する制御パルス信号の衝撃係数
を制御して、運転者が希望するように、モータ１８の回
転状態を制御する。また、制御回路７３は、電源の電圧
が変動してもモータの動作が変わらないように、電力変
換器２８に供給する制御パルス信号を制御する機能を持
つ。

【００２８】スイッチ回路７２が導通している期間中、
コンデンサ２４及び電池グループ２６は直列接続なの
で、コンデンサ２４の電圧が順次低下していっても、電
池グループ２６の上端の電圧は、常に少なくとも電池の
電圧だけは十分にあるので、コンデンサ２４の電圧がゼ
ロになるまで、このコンデンサ２４の電気エネルギーを
利用できる。ところで、時点ｔ１及びｔ２間におけるモ
ータ１８の力行時には、大容量コンデンサ２４の放電が
進むにつれて、充電電圧が低下し、蓄電量がゼロになる
と、極性が反転してしまう。ダイオード３６は、コンデ
ンサ２４の極性が反転しようとすると導通して、この極
性反転を防止する。コンデンサ２４の極性が反転しない
期間中は、ダイオード３６は非導通であり、また、スイ
ッチ回路７２が非導通の期間中は、ダイオード３６が導
通しているので、図１の装置の動作に影響しない。

【００２９】時点ｔ３において、モータ１８が回生状態
であると制御回路７３が判断すると、この制御回路７３
は、スイッチ回路７２を導通状態にし、第１電力変換器
２８内のトランジスタ６２を非導通にしてその動作を停
止させる。また、制御回路７３は、第２電力変換器３２
内のトランジスタ６２を適切な衝撃係数で繰り返し導通
及び非導通にして、第２電力変換器３２を動作させる。
よって、コンデンサ２４及び電池グループ２６からの電
圧が第１電力変換器２８を通過せず、モータ１８に駆動
電圧が供給されない。よって、モータ１８は、発電機と
して機能し、発電電圧、即ち、回生電圧を発生する。こ
の回生電圧は、第２電力変換器３２を介してコンデンサ
２４に供給され、このコンデンサ２４を充電する。この
充電電圧が、モータの力行時に再利用される。

【００３０】図３は、本発明の好適な第２実施例のブロ
ック図である。この第２実施例は、図１に示す第１実施
例と類似しているので、異なる点のみを以下に説明す
る。図１の実施例では、スイッチ回路７２は、コンデン
サ２４のマイナス端と第１電力変換器２８の共通電位端
（左側下の端子）との間に接続された単極単投スイッチ
であるが、図３の実施例では、スイッチ回路７２の代わ
りに双極単投スイッチ回路７５を用い、固定端子をコン
デンサ２４の夫々の端部に接続し、可動端子を第１電力
変換器２８の共通電位端に接続している。モータ１８の
力行期間中に、モータ１８の必要電力が小さい場合に
は、制御回路７３の制御により、スイッチ回路７５が電
池グループ２６のマイナス端を選択して、コンデンサ２
４を切り離す。また、モータ１８の必要電力が大きい場
合には、制御回路７３の制御により、スイッチ回路７５
がコンデンサ２４のマイナス端を選択して、第１電力変
換器２８がコンデンサ２４及び電池グループ２６の直列
回路から電力を受けるようにする。力行期間中のその他
の動作は、図１の実施例と同じである。また、回生期間
中は、制御回路７３が第１電力変換器２８の動作を停止
させるので、スイッチ回路７５の選択はいずれでもよ
い。

【００３１】図４は、本発明の好適な第３実施例のブロ
ック図である。この第３実施例では、コンデンサ２４及
び電池グループ２６を直列接続する。この直列回路の電
池グループ２６のプラス端は、第１半導体スイッチ回路
７７を介して、双方向性第１電力変換器１６の左側の入
出力端の一方（上側）に結合し、コンデンサ２４のマイ
ナス端は、第２スイッチ回路７２を介して、第１電力変
換器１６の左側の入出力端の他方（下側）及び単方向性
第２電力変換器３２の左側の出力端の下側、即ち、基準
電位源に結合する。第２電力変換器３２の右側の入力端
は、第１電力変換器１６の左側の入出力端に結合され、
第２電力変換器３２の左側の出力端は、第２スイッチ回
路７２を介してコンデンサ２４を充電可能に接続され
る。第１電力変換器１６の左側の入出力端がモータ１８
に結合される。コンデンサ２４及び第２スイッチ回路７
２の直列回路の両端には、極性反転防止用のバイパス・
ダイオード３６を結合する。図１の場合と同様の制御回
路７３が、第１スイッチ回路７７、第２スイッチ回路７
２、第１電力変換器１６及び第２電力変換器３２を制御
する。なお、第１電力変換器１６及びモータ１８の接続
間に他の回路、例えば、第２電力変換器３２が接続され
ていないので、第１電力変換器１６及びモータ１８の予
め設定された最適な組み合わせを、マッチングを崩すこ
となく、そのまま利用できる点に留意されたい。また、
第１電力変換器１６には図９に示すチョッパを使用で
き、第２電力変換器３２には、図１２に示すチョッパを
使用できる。

【００３２】モータ１８の力行時には、制御回路７３
は、スイッチ回路７７を導通状態に維持し、第２電力変
換器３２の動作を停止させ、第１電力変換器１６に適切
な衝撃係数の制御パルス信号を供給して、第１電力変換
器１６が左側からの入力電圧を降圧して、モータ１８に
供給できるようにする。この力行時において、モータ１
８の要求電力が設定値よりも低い場合、電池グループ２
６からの電力のみで充分なので、制御回路７３はスイッ
チ回路７２を非導通にする。よって、電池グループ２６
からの電流は、第１スイッチ回路７７を介して第１電力
変換器１６に加わり、この第１電力変換器１６からの戻
り電流は、ダイオード３６を介して電池グループ２６に
戻る。モータ１８の要求電力が設定値よりも高くなる
と、電池グループ２６及びコンデンサ２４の両方からの
電力を第１電力変換器１６が受けるために、制御回路７
３はスイッチ回路７２を導通にする。よって、電池グル
ープ２６及びコンデンサ２４の直列回路からの電流は、
第１スイッチ回路７７を介して第１電力変換器１６に加
わり、この第１電力変換器１６からの戻り電流は、第２
スイッチ回路７２を介してコンデンサ２４に戻る。な
お、ダイオード３６の動作は、第１及び第２実施例と同
じである。

【００３３】モータ１８の回生時には、制御回路７３
は、第１スイッチ回路７７を非導通にし、第２スイッチ
回路７２を導通させ、第２電力変換器３２を適切に動作
させる。なお、第１電力変換器１６は、スイッチ回路７
７の非導通により、電池グループ２６からの電力を受け
ないので、モータ１８に電力を供給できない。よって、
第２電力変換器３２は、モータ１８の回生電力を第１電
力変換器１６を介して受け、適切に降圧して、コンデン
サ２４を充電する。

【００３４】なお、電力変換器１６が、チョッパ又はイ
ンバータの何れの場合にも、これらチョッパ又はインバ
ータ用の電源電圧がモータ１８の起電力よりも高いと、
スイッチング素子（トランジスタ）の導通及び非導通の
時間比（衝撃係数）を調整することによって、昇圧での
回生電力制御が可能である。しかし、モータ１８の起電
力よりも電源電圧が低いときには、チョッパ又はインバ
ータが単なる整流器として作用するだけで、回生電力の
制御が不能となるが、第２電力変換器３２が回生電力を
制御してコンデンサ２４を充電できるので問題ない。よ
って、モータ１８が発電した電力を、第１電力変換器１
６で整流（制御不能状態にある）した後、第２電力変換
器３２で降圧（制御可能状態にある）してもよいし、第
１電力変換器１６で昇圧（制御可能状態にある）した
後、第２電力変換器３２で降圧（制御可能状態にある）
してもよい。また、この実施例では、第２電力変換器３
２の入出力端間を絶縁することにより、モータ１８が停
止期間中でも、スイッチ回路７７及び７２を導通させ、
第２電力変換器３２を動作させることにより、電池グル
ープ２６からコンデンサ２４に充電を行うことができ
る。

【００３５】図５は、本発明の好適な第４実施例のブロ
ック図である。この実施例は、図４の実施例の第２スイ
ッチ回路７２がない場合に類似しているが、第２電力変
換器３２０が、入力側（右側の端子）及び出力側（左側
の端子）の間が絶縁された一般的なＤＣ／ＤＣコンバー
タで構成されている。また、第２電力変換器３２０が、
入力側及び出力側の間が絶縁せずに、第１電力変換器１
６の第１入出力端と第２入出力端との間を絶縁してもよ
い。図６は、図５の実施例におけるモータ１８の供給電
力の状態を示す図であり、領域Ｃは、コンデンサ２４か
らの電力供給を示し、領域Ｂは、電池グループ２６から
の電力供給を示す。時点０〜ｔ３の期間のモータ１８の
力行時には、スイッチ回路７７を導通させ、モータ１８
の要求電力が小さいとき（時点０〜ｔ１及び時点ｔ２〜
ｔ３の期間）には、第２電力変換器３２０を動作させ
て、電池２６及びコンデンサ２４の直列回路からの電力
を部分的に第２電力変換器３２０を介してコンデンサ２
４に戻す点が図４の実施例と異なる。よって、コンデン
サ２４は、放電と充電との差引で、実質的にコンデンサ
２４の放電電力を低減できるので、モータの要求電力の
小さいときに、コンデンサ２４の蓄積エネルギーを温存
できる。この場合、第２電力変換器３２０の動作の制御
に応じて、電池２６及びコンデンサ２４の直列回路から
の放電電流を連続的に任意に制御できる。

【００３６】また、力行時において、モータ１８の要求
電力が大きいとき（時点ｔ１〜ｔ２の期間）には、制御
回路７３が第２電力変換器３２０の動作を停止させ、コ
ンデンサ２４への充電を停止する。よって、電池２６及
びコンデンサ２４の両方からの電力を、第１電力変換器
１６を介して、モータ１８に供給できる。なお、第２電
力変換器３２０の入力側及び出力側が絶縁されていない
場合、第１電力変換器１６と、入出力間の絶縁されてい
ない第２電力変換器とを同時に動作させると、スイッチ
回路７７及び第２電力変換器を介して、電池２６が短絡
して動作しなくなる。よって、第２電力変換器３２０の
入力側及び出力側を絶縁する必要がある。

【００３７】モータ１８の回生期間は、図４の実施例の
場合と同様に、制御回路７３がスイッチ回路７７を非導
通にし、モータ１８の回生電力を第１電力変換器１６及
び第２電力変換器３２０を介してコンデンサ２４を充電
してもよい。しかし、スイッチ回路７７を導通にする
と、回生電力をコンデンサ２４及び電池２６の両方に戻
すことができる。この場合、制御回路７３が第２電力変
換器３２０を通過する電力を大きくすると、コンデンサ
２４の回生電力の分配量が多くなり、逆にこの通過電力
を小さくすると、電池２６への回生電力の分配量が多く
なる。満充電状態に近いコンデンサ２４に回生電力を戻
すと過電圧になってしまうが、このような場合には、電
池２６に回生電力の一部を戻すことができる。なお、図
６の時点ｔ３〜ｔ６の期間中は、この回生状態を示し、
時点ｔ４〜ｔ５の期間中に、スイッチ回路７７が導通し
て、電池２６に回生電力を戻している。この図５の実施
例は、図４の実施例と異なり、モータ１８の動作中に、
電池２６からコンデンサ２４を充電できる。

【００３８】図７は、本発明の好適な第５実施例のブロ
ック図である。この実施例は、図１の実施例と類似して
いるが、スイッチ回路７２を用いず、第２電力変換器３
２０に、入力側及び出力側が絶縁されたＤＣ／ＤＣコン
バータを用いている。この第２電力変換器３２０の動作
は、図５の実施例の場合と同じであるが、第１電力変換
器１６を介さずに、モータ１６の回生電力を直接受け
る。その他の動作は、図５の場合と同様である。

【００３９】本発明の好適な実施例について上述した
が、当業者には、本発明の要旨を逸脱することなく、種
々の変形及び変更が可能である。モータは実施例で説明
したもの（ＤＣモータ）以外にも、ＤＣブラシレスモー
タ、交流誘導モータ、交流同期モータでもよく、また、
単相モータでも３相モータでもよい。第１電力変換器に
は、これらのモータに対応したチョッパまたはインバー
タを、第２変換器には、チョッパまたはＤＣ／ＤＣコン
バータを使用することができる。コンデンサとしては、
複数のコンデンサを並列接続したものを用いてもよい。
さらに、１個のコンデンサの代わりに、少数のコンデン
サを直列接続して用いてもよい。なお、少数のコンデン
サを直列接続する場合、各コンデンサの電圧のバラツキ
は、多数のコンデンサの直列接続の場合よりも少ないの
で、さほど問題にならない。電池とコンデンサの電力分
担の割合は、図２と図１３に示した割合に限られるもの
ではなく、種々の変形が可能である。図１のスイッチ７
２、図３のスイッチ７５、図４のスイッチ７２は、モー
タの要求電力が小さいと判断された期間中、非導通のま
まにすることもできるし、導通／非導通を高速で切り換
えることもできる（従来技術・図１０のスイッチ２０と
同様）。この場合、導通比率が多いほどコンデンサが多
く使われ、逆に導通比率が小さいほど電池が多く使われ
る。

【００４０】

【本発明が奏する効果】上述の如く、本発明のモータ駆
動用電源装置によれば、電池及びコンデンサを直列接続
して用いるので、モータの力行時にコンデンサの蓄電エ
ネルギーを完全にゼロになるまで使用できる。電池にコ
ンデンサを直列接続して放電すると、電池単独の場合よ
りもコンデンサのぶんだけ電圧を高くすることができ
る。ここで、第１の電力変換器に供給される電力が同じ
であれば電圧が高くなったぶんだけ、電池の放電電流、
即ち負荷を減らすことができる。また、力行時のモータ
の要求電力に応じて、スイッチ回路が電池及びコンデン
サの直列回路からコンデンサを切り離したり、力行時に
電池からコンデンサに供給する電力を制御するので、電
池及びコンデンサの電力負担の割合を任意に制御して、
コンデンサの蓄電エネルギーをより一層効率的に使用で
きる。電気自動車が市街地を走行する場合には、加速
（力行）と減速（回生）が適宜繰り返され、コンデンサ
も加減速に合わせて放電（力行）と充電（回生）が繰り
返される。したがって、コンデンサは走行状態を反映し
た電圧域を保つことになり、力行時に電池の負荷を低減
する効果も持続する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のモータ駆動用電源装置の好適な第１実
施例のブロック図である。

【図２】図１の動作を説明するために、モータ要求電力
を表す図である。

【図３】本発明のモータ駆動用電源装置の好適な第２実
施例のブロック図である。

【図４】本発明のモータ駆動用電源装置の好適な第３実
施例のブロック図である。

【図５】本発明のモータ駆動用電源装置の好適な第４実
施例のブロック図である。

【図６】図５の動作を説明するために、モータ要求電力
を表す図である。

【図７】本発明のモータ駆動用電源装置の好適な第５実
施例のブロック図である。

【図８】従来のモータ駆動用電源装置の一例のブロック
図である。

【図９】電力変換器の一例の回路図である。

【図１０】従来のモータ駆動用電源装置の他の例のブロ
ック図である。

【図１１】従来のモータ駆動用電源装置の更に他の例の
ブロック図である。

【図１２】電力変換器の他の例の回路図である。

【図１３】図１１の動作を説明するために、モータ要求
電力を表す図である。

【符号の説明】

１６第１電力変換器１８モータ２４コンデンサ２６電池２８第１電力変換器３２第２電力変換器３６ダイオード７２スイッチ回路７３制御回路７４アクセル７５スイッチ回路７６ブレーキ７７スイッチ回路７８クラッチ３２０第２電力変換器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０２Ｊ 1/00 ３０６ 8110−5ＨＨ０２Ｍ 7/72 // Ｈ０２Ｍ 7/72 Ｈ０１Ｇ 9/00 ３０１Ｚ (72)発明者宮岡邦明広島市中区小町４番33号中国電力株式会社内 (72)発明者渋谷紘広島市中区小町４番33号中国電力株式会社内 (72)発明者福田哲夫神奈川県横浜市港北区新吉田町4415−２株式会社東京アールアンドデー横浜事業所内 (72)発明者大沼伸人神奈川県横浜市港北区新吉田町4415−２株式会社東京アールアンドデー横浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電池及びコンデンサの直列回路と、出力端がモータに結合された第１電力変換器と、該第１電力変換器の入力端を上記電池の両端又は上記直
列回路の両端に選択的に結合させるスイッチ回路と、入力端が上記モータに結合され、出力端が上記コンデン
サを充電可能に結合された第２電力変換器と、上記第１電力変換器、上記第２電力変換器及び上記スイ
ッチ回路を制御する制御回路とを具え、該制御回路は、上記モータの力行時に、上記モータの必
要とする電力に応じて上記スイッチ回路の導通及び非導
通を制御して、上記コンデンサから得る電力を調整する
ことを特徴とするモータ駆動用電源装置。
【請求項２】電池及びコンデンサの直列回路と、第１入出力端の一方が第１スイッチ回路を介して上記電
池の上記コンデンサと反対側の端部に結合され、第２入
出力端がモータに結合された第１電力変換器と、該第１電力変換器の上記第１入出力端の他方を上記電池
の他端又は上記コンデンサの上記電池と反対側の端部に
選択的に結合させる第２スイッチ回路と、入力端が上記第１電力変換器の上記第１入出力端に結合
され、出力端が上記コンデンサを充電可能に結合された
第２電力変換器と、上記第１スイッチ回路、上記第２スイッチ回路、上記第
１電力変換器及び上記第２電力変換器を制御する制御回
路とを具え、該制御回路は、上記モータの力行時に、上記第１スイッ
チ回路を閉じ、上記モータの必要とする電力に応じて上
記第２スイッチ回路の導通及び非導通を制御して、上記
コンデンサから得る電力を調整することを特徴とするモ
ータ駆動用電源装置。
【請求項３】電池及びコンデンサの直列回路と、第１入出力端が上記直列回路の両端にスイッチ回路を介
して結合され、第２入出力端がモータに結合された第１
電力変換器と、入力端が上記第１電力変換器の上記第１入出力端に結合
され、出力端が上記コンデンサを充電可能に結合され、
上記入力端及び上記出力端の間が絶縁された第２電力変
換器と、上記スイッチ回路、上記第１電力変換器及び上記第２電
力変換器を制御する制御回路とを具え、該制御回路は、上記モータの力行時に、上記スイッチ回
路を閉じ、上記モータの必要とする電力に応じて上記第
２電力変換器を制御して、上記コンデンサから得る電力
を実質的に調整することを特徴とするモータ駆動用電源
装置。
【請求項４】電池及びコンデンサの直列回路と、入力端が上記直列回路の両端に結合され、出力端がモー
タに結合された第１電力変換器と、入力端が上記モータに結合され、出力端が上記コンデン
サを充電可能に結合された第２電力変換器と、上記第１電力変換器及び上記第２電力変換器を制御する
制御回路とを具え、該制御回路は、上記モータの力行時に、上記モータの必
要とする電力に応じて上記第２電力変換器を制御して、
上記コンデンサから得る電力を実質的に調整することを
特徴とするモータ駆動用電源装置。