| 【発明の名称】 |
電気自動車 |
| 【発明者】 |
【氏名】渋谷 忠士
【氏名】渡辺 徳行
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| 【要約】 |
【課題】蓄電池が放電末期なっていても交流入力電圧を低下させないで充電できるようにして急速充電を可能とする。
【解決手段】蓄電池４の正極側と主回路２４の正極側入力端子間の正極ライン４０に切換スイッチ４１を設け、そのスイッチ４１の可動接点Ｃを蓄電池４の正極側に接続し、第１固定接点Ｍを正極ライン４０に接続する。切換スイッチ４１の第２固定接点Ｊには、充電用の降圧チョッパ回路４２を接続する。このチョッパ回路４２の入力端子は正極ライン４０に接続され、チョッパ回路４２の負極端子は蓄電池４の負極側と主回路２４の負極側入力端子とを結ぶ負極ライン４３に接続する。主回路２４には切換スイッチ３２を介してモータ２３および交流入力に接続される。電気自動車２１は、蓄電池４−主回路（３相インバータ）２４−モータ２３の回路を介してモータ２３を駆動させて走行させる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 交流モータを原動機とし、このモータの駆動に必要な電源を二次電池とする電気自動車において、直流入出力端が前記二次電池に接続され、交流入出力端との間で交流と直流の双方向電力変換を行う電力変換装置と、この電力変換装置の直流入出力端と前記二次電池とを接続する電路に介挿され、二次電池充電モードのときに切り換えられる第１の切換スイッチと、このスイッチの切換により二次電池を降圧モードで充電を行う降圧チョッパ回路と、前記電力変換装置の交流入出力端に設けられ、前記モータ駆動モードのときにモータ側に切り換えられ、二次電池充電モードのときに交流入力電源側に切り換えられる第２の切換スイッチとを備えたことを特徴とする電気自動車。
【請求項２】 請求項１記載の電気自動車において、降圧チョッパ回路を電気自動車本体の外部に設け、その降圧チョッパ回路を使用して前記二次電池を降圧モードで充電を行うように構成したことを特徴とする電気自動車。
【請求項３】 交流モータを原動機とし、このモータの駆動に必要な電源を二次電池とする電気自動車において、直流入出力端が前記二次電池に接続され、交流入出力端との間で交流と直流の双方向電力変換を行う電力変換装置を設け、この電力変換装置は、３相ブリッジ接続に構成された半導体スイッチング素子からなり、かつ各半導体スイッチング素子には逆並列接続されたダイオードを設け、または各半導体スイッチング素子に内蔵してある逆並列接続されたダイオードを利用して前記３相ブリッジ接続に構成された半導体スイッチング素子の３相ブリッジのうち２相の交流入出力端をそれぞれ第２の切換スイッチの二つの接点を介して交流入力電源側に接続して二次電池充電モードとするとともに、残りの１相をチョッパ動作モードとしてさらに第２の切換スイッチの残りの一つの接点から直流リアクトルを介して二次電池を降圧モードで充電を行うようにしたことを特徴とする電気自動車。
【請求項４】 前記請求項３記載の電気自動車において、直流リアクトルを電気自動車本体の外部に設け、その直流リアクトルを使用して前記二次電池を降圧モードで充電するように構成したことを特徴とする電気自動車。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、充電制御機能を内蔵させた電気自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】電気自動車は、モータを原動機とし、その電源に二次電池（蓄電池）が搭載され、モータ制御装置によるモータ制御がなされる。このため、電気自動車は、内燃機関を原動機とする従来の自動車に必要なガソリン等の燃料を給油するのとは異なり、搭載した蓄電池を充電する充電装置を必要とする。このため、従来の電気自動車は、搭載した蓄電池を充電するための充電設備が、特定の場所に設置（据置）されるため、蓄電池の充電を必要とするときには、該充電設備の設置場所まで移動させなければならなかった。
【０００３】従って、従来の電気自動車では、充電装置の設置場所までの移動に手間取る問題があった。この問題を解決するには、電気自動車に充電装置を搭載し、一般家庭や営業所に配電される商用の交流電源から充電電力を取り込めるようにすることが考えられるようになってきた。このような考えの元に充電制御機能を内蔵させた電気自動車が開発されるようになってきた。
【０００４】図６は充電制御機能を内蔵させた電気自動車の構成図で、この図６において、電気自動車２１は、蓄電池４を電源として搭載し、蓄電池４の直流電力を電力変換装置２２によって交流電力に変換し、この交流電力を交流モータ（ＩＭ）２３に供給することで交流モータ２３を駆動し、走行のための駆動力を、このモータ２３から得る。
【０００５】このための電力変換装置２２は、半導体スイッチング素子で構成された主回路２４を、例えばＰＷＭ制御し、電圧及び周波数制御された交流電力を得てモータ２３に供給する。この主回路２４の制御は、モータ制御回路２５によって行われ、走行速度信号等からなるモータ指令と電圧検出器２６からのモータ２３への印加電圧検出信号との突き合わせによってフィードバック制御される。
【０００６】ここで、電力変換装置２２は、双方向電力変換装置として機能させ、蓄電池４からの直流電力を交流電力に変換してモータ２３に供給するモータ駆動モードと、交流入力からの交流電力を直流電力に変換して蓄電池４に供給する蓄電池充電モードの両機能を持たせる。
【０００７】この両機能のうち、蓄電池充電モードは、充電制御回路２７による主回路２４のＰＷＭゲート制御でなされ、この制御には電流検出器２８による交流入力検出電流と電圧検出器２９による蓄電池充電電圧とにより定電流・定電圧充電方式等によって充電電流，電圧制御がなされる。このとき、主回路２４は、例えば昇圧整流制御によって交流・直流変換される。
【０００８】主回路２４に対するモータ駆動モードでのゲート制御と蓄電池充電モードでのゲート制御は、ゲート切換回路３０によって切り換えられ、このモード切換制御は、切換制御部３１と切換スイッチ３２と電圧検出器３３によって構成されている。切換スイッチ３２は、電力変換装置２２の交流入出力端Ａへの接続を、モータ２３と外部交流電源ライン３４との切り換えを行い、電圧検出器３３は交流電源ライン３４への外部交流電源接続を検出する。切換制御部３１は交流電源ライン３４への交流電圧印加を電圧検出器３３で検出したときに、切換スイッチ３２をライン３４側に切り換えると共にゲート切換回路３０を充電制御回路側へ切り換える。なお、電圧検出器３３は省略し、切換制御部３１の切換指令スイッチを手動で切り換える構成やライン３４への交流電源接続操作で切り換える構成でも良い。
【０００９】電気自動車２１への外部交流電源印加は、商用の交流電源３５から絶縁トランス３６及びＬＣフィルタ３７を通してコネクタ接続でなされる。この場合、絶縁トランス３６及びフィルタ３７は充電制御のためのリアクトルとしても利用されるが、電気自動車２１内に実装し、交流電源３５へ接続する構成でも良い。
【００１０】また、電気自動車２１の走行時には、電力変換装置２２をモータ駆動モードによって制御し、蓄電池４からの直流電力を電力変換装置２２によって交流電力に変換し、モータ２３の速度制御等を行う。
【００１１】一方、蓄電池４の充電には電力変換装置２２を蓄電池充電モードによって制御し、交流電源３５からの交流電力を電力変換装置２２によって直流電力に変換し、蓄電池４の充電を行う。従って、電力変換装置２２は、電気自動車２１のモータ駆動のほかに蓄電池４の充電器として利用する。これにより、電気自動車２１には蓄電池充電のための専用の充電器を設けることを不要とし、切換スイッチ３２や充電制御回路２７などの回路要素を設けることで済むようになる。なお、３８は直流コンデンサである。
【００１２】図７は上記図６の概略構成図で、主回路２４は、半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６から構成されている電力変換装置２２である。この図７において、電気自動車２１が走行する場合には、切換スイッチ３２をモータ２３側（Ｍ）に、充電時には、交流入力側（Ｊ）に選択切換させ、電気自動車２１の主回路２４に対するモータ駆動モードでのゲート制御機能と、蓄電池充電モードでのゲート制御機能を内蔵させて、経済的な充電システムとしたものである。なお、主回路２４を構成する半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６には、逆並列のダイオードＤ１〜Ｄ６（このダイオードは半導体スイッチング素子に内蔵されているものでも良い）が接続されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】前述した図６，図７の主回路２４には、通常半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６と逆並列ダイオードＤ１〜Ｄ６による３相インバータ／コンバータ回路となる電力変換装置が使用され、電気自動車２１の走行時には、主回路２４がインバータ動作し、充電時には、主回路２４がコンバータ動作する。特に、主回路２４がコンバータ動作する時には、「交流電圧を整流して昇圧しながら充電」する方式を用いる。このため、交流入力を整流した電圧（1.35×交流入力実効値）は、蓄電池４の放電末期電圧以上に設定させることができない問題がある。
【００１４】また、電気自動車２１の蓄電池４は、満充電時と放電末期でかなりの電圧差が生じるため、交流入力を放電末期に合わせて低い値に設定する。すると、充電時には、電流が増加してしまう問題があり、不経済な回路になってしまう。
【００１５】さらに、蓄電池４等に短絡事故が発生した場合には、短絡電流が、主回路２４を構成する半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６に逆並列されたダイオードＤ１〜Ｄ６を通して流れるため、主回路２４の保護ができない問題がある。
【００１６】この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、蓄電池が放電末期なっていても交流入力電圧を低下させないで充電できるようにして急速充電を可能とするとともに、蓄電池に短絡事故が発生しても主回路の保護を図ることができる電気自動車を提供することを課題とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題を達成するために、第１発明は、交流モータを原動機とし、このモータの駆動に必要な電源を二次電池とする電気自動車において、直流入出力端が前記二次電池に接続され、交流入出力端との間で交流と直流の双方向電力変換を行う電力変換装置と、この電力変換装置の直流入出力端と前記二次電池とを接続する電路に介挿され、二次電池充電モードのときに切り換えられる第１の切換スイッチと、このスイッチの切換により二次電池を降圧モードで充電を行う降圧チョッパ回路と、前記電力変換装置の交流入出力端に設けられ、前記モータ駆動モードのときにモータ側に切り換えられ、二次電池充電モードのときに交流入力電源側に切り換えられる第２の切換スイッチとを備えたことを特徴とするものである。
【００１８】第２発明は、前記降圧チョッパ回路を電気自動車本体の外部に設け、その降圧チョッパ回路を使用して前記二次電池を降圧モードで充電を行うように構成したことを特徴とするものである。
【００１９】第３発明は、交流モータを原動機とし、このモータの駆動に必要な電源を二次電池とする電気自動車において、直流入出力端が前記二次電池に接続され、交流入出力端との間で交流と直流の双方向電力変換を行う電力変換装置を設け、この電力変換装置は、３相ブリッジ接続に構成された半導体スイッチング素子からなり、かつ各半導体スイッチング素子には逆並列接続されたダイオードを設け、または各半導体スイッチング素子に内蔵してある逆並列接続されたダイオードを利用して前記３相ブリッジ接続に構成された半導体スイッチング素子の３相ブリッジのうち２相の交流入出力端をそれぞれ第２の切換スイッチの二つの接点を介して交流入力電源側に接続して二次電池充電モードとするとともに、残りの１相をチョッパ動作モードとしてさらに第２切換スイッチの残りの一つの接点から直流リアクトルを介して二次電池を降圧モードで充電を行うようにしたことを特徴とするものである。
【００２０】第４発明は、前記直流リアクトルを電気自動車本体の外部に設け、その直流リアクトルを使用して前記二次電池を降圧モードで充電するように構成したことを特徴とするものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図面に基づいて説明するに、図６、図７と同一部分には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。図１はこの発明の実施の第１形態を示す概略構成図で、蓄電池４の正極側と主回路２４の正極側直流入出力端子間の正極ライン４０に切換スイッチ４１を設ける。この切換スイッチ４１の可動接点Ｃは蓄電池４の正極側に接続され、第１固定接点Ｍは正極ライン４０に接続される。切換スイッチ４１の第２固定接点Ｊは、図２に示すような回路構成の充電用の降圧チョッパ回路４２に接続される。この降圧チョッパ回路４２の入力端子は正極ライン４０に接続され、チョッパ回路４２の負極端子は蓄電池４の負極側と主回路２４の負極側直流入出力端子とを結ぶ負極ライン４３に接続される。
【００２２】なお、図中の交流入力側（Ｊ）には、コンデンサ３８を予備充電するための予備充電回路、主回路２４をＰＷＭコンバータとして動作させて使用するときの交流フィルタ回路、電圧マッチングまたは絶縁のための絶縁トランス等が必要であるが、これらを図示省略してある。
【００２３】ここで、図２の降圧チョッパ回路４２について述べる。このチョッパ回路４２は、半導体スイッチング素子４２ａ、直流リアクトル４２ｂ、ダイオード４２ｃから構成され、半導体スイッチング素子４２ａは正極ライン４０に、ダイオード４２Ｃは負極ライン４３に、直流リアクトル４２ｂは切換スイッチ４１の第２固定接点Ｊにそれぞれ接続される。
【００２４】次に上記第１形態における電気自動車２１の走行時の動作について述べる。まず、切換スイッチ３２の可動接点Ｉおよび切換スイッチ４１の可動接点Ｃを、それぞれ固定接点Ｍに切り換えて、蓄電池４−主回路（３相インバータ）２４−モータ２３が接続される回路を選択し、３相インバータでモータ２３を駆動して電気自動車２１を走行させる。
【００２５】次に第１形態における充電時の動作について述べる。充電時には、切換スイッチ３２の可動接点Ｉおよび切換スイッチ４１の可動接点Ｃを、それぞれ固定接点Ｊに切り換えて、主回路２４の３相インバータを昇圧形のＰＷＭコンバータとして動作させ、コンデンサ３８を充電させる。その後、降圧チョッパ回路４２でコンデンサ３８から蓄電池４に降圧モードで充電を行う。このため、蓄電池４が放電末期になっていても交流入力電圧を下げないで、蓄電池４の充電を行うことができるようになり、これにより急速充電を行うことが可能となる。
【００２６】上記第１形態は３相インバータをＰＷＭコンバータとして動作させて蓄電池を充電する場合であるが、３相インバータを構成する半導体スイッチング素子に逆並列されているダイオードを単なる３相整流器（このとき、半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６は全てオフさせる）として動作させて蓄電池を充電させるようにしても良い。
【００２７】図３はこの発明の実施の第２形態を示す概略構成図で、この第２形態は主回路２４を構成する３相インバータを単相のＰＷＭコンバータとして動作させて蓄電池を充電するようにしたもので、この回路で充電すると第１形態よりも経済的な回路となる利点がある。図３において、３相インバータとモータ２３とを接続する３相の各電路に切換スイッチ３２ａ，３２ｂ，３２ｃを介挿し、各可動接点Ｉをインバータの各アームに接続し、固定接点Ｍをモータ２３に接続する。そして、切換スイッチ３２ａ，３２ｂの他の固定接点Ｊ１，Ｊ２は交流入力側ＪのＪ１，Ｊ２端子に接続し、切換スイッチ３２ｃの他の固定接点Ｊ３は、充電用の直流リアクトル４４を介して切換スイッチ４１の第２固定接点Ｊに接続する。
【００２８】上記のように構成された第２形態において、電気自動車２１の走行時の動作は、前記第１形態の場合と同様に行われるので、その説明は省略する。ここでは、第２形態における充電時の動作について述べる。充電時には、切換スイッチ３２ａ、３２ｂの可動接点Ｉは固定接点Ｊ１，Ｊ２に接続されるので、交流入力は切換スイッチ３２ａ，３２ｂを介して主回路２４を構成する３相インバータの２相のアームに供給される。このため、コンデンサ３８は、昇圧形の単相コンバータモードの制御で充電される（半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４による単相コンバータ）。
【００２９】一方、インバータの他の１相（半導体スイッチング素子Ｓ６に逆並列接続されたダイオード）はチョッパ回路として動作させるようにする。この１相の出力は、切換スイッチ３２ｃ−直流リアクトル４４−切換スイッチ４１を介して蓄電池４に供給されるため、降圧充電ができるようになり、前記第１形態と同様な効果が得られる。なお、その他の機能は第１形態と同様に行われる。
【００３０】図４はこの発明の実施の第３形態を示す概略構成図で、この第３形態は、前記第２形態において、直流リアクトル４４を電気自動車２１内に設けていたものを、電気自動車２１の車体外部に設けるようにしたものである。このため、第３形態では、電気自動車２１に端子Ｊ３、Ｊ４を設け、端子Ｊ３には切換スイッチ３２ｃの固定接点Ｊ３を接続し、端子Ｊ４には切換スイッチ４１の固定接点Ｊを接続するように構成する。このように構成することにより、第２形態と同様の機能が得られる。
【００３１】図５はこの発明の実施の第５形態を示す概略構成図で、この第５形態は、前記第１形態において設けた降圧チョッパ回路４２を、電気自動車２１の車体外部に設けるように電気自動車２１に端子Ｊ，Ｎ，Ｐを設けたものである。端子Ｊには切換スイッチ４１の固定接点Ｊを接続し、端子Ｎには負極ライン４３を接続し、端子Ｐには正極ライン４０をそれぞれ接続する。また、端子Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３には交流入力が供給される。
【００３２】
【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、電気自動車の蓄電池の満充電と放電末期で大きな差があったとしても充電用の交流電圧を低下させないで充電できるために、急速充電が可能となる。また、経済的な回路で実現できる利点もある。さらに、蓄電池等に短絡事故が発生したとしても、降圧チョッパ回路で電流制御ができるために、主回路の保護を図ることできる。さらに、環境の面でもＰＷＭコンバータの制御により交流電源側に対して力率の向上、高調波電流の低減等を図ることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６１０５
【氏名又は名称】株式会社明電舎
【識別番号】５９１０３１２１２
【氏名又は名称】北斗電工株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年１１月１０日（１９９８．１１．１０） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６２１９９
【弁理士】
【氏名又は名称】志賀 富士弥 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−１５２４０８（Ｐ２０００−１５２４０８Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年５月３０日（２０００．５．３０） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−３１８４９５ |
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