| 【発明の名称】 |
バッテリーカーの駆動回路 |
| 【発明者】 |
【氏名】上符 敏昭
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| 【要約】 |
【課題】バッテリーカーに搭載するバッテリーの容量を最適容量とする。
【解決手段】充電時には、変圧器１０の交流電流を整流部２０にて整流した直流電流、または、太陽電池８０からの直流電流を、降圧チョッパ部３０により、大容量の電気二重層コンデンサ４０に充電する。その後、走行時等において、電気二重層コンデンサ４０の電荷を、昇圧チョッパ部５０により、バッテリー６０に移して、バッテリー６０の充電を行う。バッテリー６０への充電は、走行時等に行うことができ、バッテリー６０の放電率を小さくできるため、バッテリー６０として小容量のものを採用できる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 交流電流を直流電流として出力する整流部と、太陽電池と、電気二重層コンデンサと、充電された電流を駆動装置に供給するバッテリーと、前記整流部の電流又は前記太陽電池の電流を前記電気二重層コンデンサに充電する降圧チョッパ部と、前記電気二重層コンデンサに充電された電流を前記バッテリーに充電する昇圧チョッパ部とでなることを特徴とするバッテリーカーの駆動回路。
【請求項２】 交流電流を直流電流として出力する整流部と、太陽電池と、電気二重層コンデンサと、充電された電流を駆動装置に供給するバッテリーと、第１のスイッチング素子と、第１の直流リアクトルと、第１のダイオードとを有しており、第１のスイッチング素子が導通状態になると、前記整流部の電流又は前記太陽電池の電流が第１のスイッチング素子と第１の直流リアクトルを流れて前記電気二重層コンデンサに充電され、前記電気二重層コンデンサに流入する電流の電流値が目標上限コンデンサ電流値に達すると第１のスイッチング素子が遮断状態にされて、第１の直流リアクトルと前記電気二重層コンデンサと第１のダイオードとでなる閉回路に環流電流を流し、この環流電流の電流値が目標下限コンデンサ電流値になると第１のスイッチング素子が再び導通状態となる動作が繰り返され、しかも、第１のスイッチング素子の導通・遮断動作は、前記電気二重層コンデンサの充電電圧の電圧値が目標コンデンサ電圧値になるまで行われる降圧チョッパ部と、第２のスイッチング素子と、第２の直流リアクトルと、第２のダイオードとを有しており、第２のスイッチング素子が導通状態になると、前記電気二重層コンデンサに充電された電流がこの電気二重層コンデンサと第２の直流リアクトルと第２のスイッチング素子とでなる閉回路に環流し、この環流する電流の電流値が目標バッテリー電流値になると第２のスイッチング素子が遮断状態にされて、前記電気二重層コンデンサに充電された電圧と第２の直流リアクトルの電磁エネルギーにより生じた電圧とによる電流が第２のダイオードを介して前記バッテリーに充電されるとともに、一旦遮断状態となった第２のスイッチング素子は前回に導通状態になった時点から一定時間経過すると再び導通状態となる動作が繰り返され、しかも、第２のスイッチング素子の導通・遮断動作は、前記バッテリーの充電電圧の電圧値が目標バッテリー電圧値に等しくなってから一定時間が経過するまで行われる昇圧チョッパ部とでなることを特徴とするバッテリーカーの駆動回路。
【請求項３】 前記バッテリーの充電電圧の電圧値が目標バッテリー電圧値に近づいていくと、前記目標バッテリー電流値は徐々に低減され、前記バッテリーの充電電圧の電圧値が目標バッテリー電圧値に等しくなった後は、前記目標バッテリー電流値は補充バッテリー電流値にまで小さくされることを特徴とする請求項２のバッテリーカーの駆動回路。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ゴルフカートや遊覧用屋外サービスカーなど、駆動源としてバッテリーを採用しているバッテリーカーの駆動回路に関し、バッテリーの容量を最適容量とすることができるように工夫したものである。
【０００２】
【従来の技術】現在の屋外走行用のサービスカーは、エンジン車が主流でありバッテリーカーは敬遠されていた。バッテリーカーが敬遠される原因としては、バッテリーカーに使用するモータの容量が大きいことに起因して、バッテリーカーの駆動源であるバッテリーの容量が大きいことが挙げられる。つまり、バッテリーカーでは、、坂路走行時に必要なトルクと走行速度とを考慮してモータ容量を考慮する必要があるが、このモータ容量は平坦路走行時に必要なモータ容量に比較して数倍（４〜５倍）であるため、特殊設計されたモータが必要であった。このように特殊設計した大容量のモータの電源として、必然的に大容量のバッテリーが必要であった。しかし、環境的な配慮から、モータ駆動するバッテリーカーが注視されてきている。
【０００３】ここで、現在採用されているバッテリーカーの駆動原理を、図２を参照しつつ説明する。同図に示すように、バッテリーＢと、トランジスタ等の半導体スイッチング素子ＴＲと、モータＭとにより、閉回路が形成されている。そして、チョッパー制御装置０１により、半導体スイッチング素子ＴＲに流す電流の通流幅を制御することにより、モータＭを速度制御をして、目標速度に対応するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】現在採用されているバッテリーＢの容量は、連続走行し、かつ停止中の制御装置の消費電力を考慮したものとなっているため、必要容量以上となっている。また、バッテリー寿命は、図３に示されるように、放電率によって大きく変わる。屋外走行車では、年間３００サイクル程度と考え、３年の寿命と考えると、３０％放電で使用することが必要となり、この点からも必要以上の容量を使用することになる。
【０００５】このことは、バッテリー重量が、車体重量に対して大きな比率となり、車両としては不利な要因となる。
【０００６】本発明は、上記従来技術に鑑み、バッテリー容量の最適化を図ることができるバッテリーカーの駆動回路を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発明の構成は、交流電流を直流電流として出力する整流部と、太陽電池と、電気二重層コンデンサと、充電された電流を駆動装置に供給するバッテリーと、前記整流部の電流又は前記太陽電池の電流を前記電気二重層コンデンサに充電する降圧チョッパ部と、前記電気二重層コンデンサに充電された電流を前記バッテリーに充電する昇圧チョッパ部とでなることを特徴とする。
【０００８】また本発明の構成は、交流電流を直流電流として出力する整流部と、太陽電池と、電気二重層コンデンサと、充電された電流を駆動装置に供給するバッテリーと、第１のスイッチング素子と、第１の直流リアクトルと、第１のダイオードとを有しており、第１のスイッチング素子が導通状態になると、前記整流部の電流又は前記太陽電池の電流が第１のスイッチング素子と第１の直流リアクトルを流れて前記電気二重層コンデンサに充電され、前記電気二重層コンデンサに流入する電流の電流値が目標上限コンデンサ電流値に達すると第１のスイッチング素子が遮断状態にされて、第１の直流リアクトルと前記電気二重層コンデンサと第１のダイオードとでなる閉回路に環流電流を流し、この環流電流の電流値が目標下限コンデンサ電流値になると第１のスイッチング素子が再び導通状態となる動作が繰り返され、しかも、第１のスイッチング素子の導通・遮断動作は、前記電気二重層コンデンサの充電電圧の電圧値が目標コンデンサ電圧値になるまで行われる降圧チョッパ部と、第２のスイッチング素子と、第２の直流リアクトルと、第２のダイオードとを有しており、第２のスイッチング素子が導通状態になると、前記電気二重層コンデンサに充電された電流がこの電気二重層コンデンサと第２の直流リアクトルと第２のスイッチング素子とでなる閉回路に環流し、この環流する電流の電流値が目標バッテリー電流値になると第２のスイッチング素子が遮断状態にされて、前記電気二重層コンデンサに充電された電圧と第２の直流リアクトルの電磁エネルギーにより生じた電圧とによる電流が第２のダイオードを介して前記バッテリーに充電されるとともに、一旦遮断状態となった第２のスイッチング素子は前回に導通状態になった時点から一定時間経過すると再び導通状態となる動作が繰り返され、しかも、第２のスイッチング素子の導通・遮断動作は、前記バッテリーの充電電圧の電圧値が目標バッテリー電圧値に等しくなってから一定時間が経過するまで行われる昇圧チョッパ部とでなることを特徴とする。
【０００９】また本発明の構成は、前記バッテリーの充電電圧の電圧値が目標バッテリー電圧値に近づいていくと、前記目標バッテリー電流値は徐々に低減され、前記バッテリーの充電電圧の電圧値が目標バッテリー電圧値に等しくなった後は、前記目標バッテリー電流値は補充バッテリー電流値にまで小さくされることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態にかかるバッテリーカーの駆動回路を、図１を参照しつつ詳細に説明する。
【００１１】図１に示すように、このバッテリーカーの駆動回路は、変圧器１０と、整流部２０と、降圧チョッパ部３０と、電気二重層コンデンサ４０と、昇圧チョッパ部５０と、バッテリー６０と、駆動装置７０と、太陽電池８０とで構成されている。
【００１２】変圧器１０は、商用交流電圧が入力され、バッテリー６０を充電するのに適切な電圧値に変圧した交流電圧を出力する。
【００１３】整流部２０は、ダイオードＤ２１，Ｄ２２，Ｄ２３，Ｄ２４により形成したダイオードブリッジ全波整流回路と、平滑コンデンサＣ２１とで構成されている。この整流部２０は、変圧器１０の交流電流を直流電流に整流して出力する。
【００１４】降圧チョッパ部３０は、第１のスイッチング素子ＴＲ１と、第１の直流リアクトルＬ１と、第１のダイオードＤ１とで構成されている。スイッチング素子ＴＲ１としては、ＩＧＢＴやパワートランジスタやＦＥＴなどを用いることができる。詳細動作は後述するが、この降圧チョッパ部３０は、整流部２０から出力された直流電流や、太陽電池８０から出力される直流電流を、電気二重層コンデンサ４０に充電する動作を行う。
【００１５】電気二重層コンデンサ４０は、電解質中のアニオン（陰イオン），カチオン（陽イオン）をそれぞれ正極，負極に物理吸着させて分極性電極に電気を蓄えるという原理で動作するコンデンサであり、アルミニウム電解コンデンサに代表される電極間に誘電体を有するコンデンサに比べて、体積あたりの容量が３００〜１０００倍大きい大容量コンデンサである。この電気二重層コンデンサ４０は、大電流により充電することができ、充電時間は短い。
【００１６】更に説明すると、電気二重層コンデンサ４０の充電電流・放電電流の電流値の制限は、内部インピーダンスにより規制される。電気二重層コンデンサ４０の内部インピーダンスは小さいので、その充・放電電流の電流値は、バッテリーの充・放電電流の電流値に比べて、極めて大きい（１０数倍である）。具体例で説明すると、電気二重層コンデンサ４０は、その容量が２０００Ｆ、、その充電電圧が２．５Ｖ、その内部抵抗が５ｍΩである場合には、充電許容電流は５００Ａ（＝２．５Ｖ／５ｍΩ）と極めて大きい。
【００１７】昇圧チョッパ部５０は、第２のスイッチング素子ＴＲ２と、第２の直流リアクトルＬ２と、第２のダイオードＤ２とで構成されている。スイッチング素子ＴＲ２としては、ＩＧＢＴやパワートランジスタやＦＥＴなどを用いることができる。詳細動作は後述するが、この昇圧チョッパ部５０は、電気二重層コンデンサ４０に充電された電流を、小さな電流値にしてバッテリー６０に充電する動作を行う。
【００１８】バッテリー６０は、充電された電流を駆動装置７０に供給する。駆動装置７０は電気モータやインバータ等を内蔵しており、供給された電流により電気モータが駆動して、バッテリーカーが走行する。
【００１９】ここで、充電動作について詳細に説明する。充電動作は、バッテリー６０の充電量が低下してきて地上局に戻り商用電源を利用して充電する場合と、停止中や走行中において太陽電池８０にて充電する場合とがある。
【００２０】バッテリーカーが地上局に戻ってきて充電する場合には、まず変圧器１０を商用電源に接続する。そうすると、変圧器１０から出力された交流電流は、整流部２０にて整流されて直流電流となる。
【００２１】降圧チョッパ３０のスイッチング素子ＴＲ１が導通状態になると、整流部２０からの電流ｉ１が、スイッチング素子ＴＲ１と直流リアクトルＬ１を流れて電気二重層コンデンサ４０に充電される。このとき、整流部２０の出力電圧（コンデンサＣ２１の両端電圧）をＥ２０、直流リアクトルＬ１のリアクタンスをＬ１、時間をｔとすると、電流ｉ１は（Ｅ２０／Ｌ１）×ｔの割合で電流値が上昇していく。
【００２２】電流ｉ１の電流値が上昇してきて、予め決めた目標上限コンデンサ電流値ＩＣ１に達すると、スイッチング素子ＴＲ１が遮断状態となる。なお、目標上限コンデンサ電流値ＩＣ１は、電気二重層コンデンサ４０の特性によって決定される大きな値である。
【００２３】スイッチング素子ＴＲ１が遮断状態になると、直流リアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギーにより、直流リアクトルＬ１と電気二重層コンデンサ４０とダイオードＤ１とでなる閉回路に、環流電流ｉ２が流れる。この環流電流ｉ２の電流値は、前記閉回路（Ｌ１→４０→Ｄ１→Ｌ１）の内部抵抗により減衰していく。
【００２４】そして、環流電流ｉ２の電流値が、予め設定した目標下限コンデンサ電流値ＩＣ２に達すると、スイッチング素子ＴＲ１が再び導通状態となる。スイッチング素子ＴＲ１が導通状態になると、再び電流ｉ１が流れる。
【００２５】このようにして、スイッチング素子ＴＲ１が導通・遮断動作を繰り返して、電流ｉ１，ｉ２が流れることにより、電気二重層コンデンサ４０は充電されていく。電気二重層コンデンサ４０の充電電圧値が、予め設定した目標コンデンサ電圧値ＶＣ０になったら、スイッチング素子ＴＲ１の動作を停止すると共に、変圧器１０を商用電源から切り離す。
【００２６】かくして、地上局での充電操作は終了する。このとき、電流ｉ１，ｉ２の電流値は、電気二重層コンデンサ４０の内部抵抗で決められる電流値まで許容されるので、大電流値とすることができる。この結果、電気二重層コンデンサ４０への充電は短時間で終了する。つまり、地上局での充電操作は短時間で終了する。
【００２７】具体的には、地上局での（電気二重層コンデンサ４０への）充電時間Ｔは次式で表される。
Ｔ＝（ＶＣ０／ｉ１）×Ｃ４０但し、ＶＣ０・・・目標コンデンサ電圧値Ｃ４０・・・電気二重層コンデンサの静電容量【００２８】また、電気二重層コンデンサ４０には大電流により充電ができるため、電気二重層コンデンサ４０への印加電圧が過大にならないように注意するだけでよく、制御動作設計は簡単にできる。
【００２９】また、太陽電池８０により太陽光発電が可能な場合は、太陽電池８０から出力された直流電流を、スイッチング素子ＴＲ１を導通・遮断動作させることにより、上述したのと同様にして、電気二重層コンデンサ４０への充電をしていく。このため、晴天時には、地上局からの充電を必要とせず省エネを図ることができる。このように太陽電池８０による充電は、バッテリーカーの停止中や走行中にかかわらず、実行することができる。
【００３０】電気二重層コンデンサ４０への充電が完了したら、バッテリーカーでは、走行時や停止時において、昇圧チョッパ部５０を動作させ、電気二重層コンデンサ４０に充電された電荷を、バッテリー６０に移して、バッテリー６０の充電をする。
【００３１】ここで、昇圧チョッパ部５０の動作を説明する。スイッチング素子ＴＲ２が導通状態になると、電気二重層コンデンサ４０と直流リアクトルＬ２とスイッチング素子ＴＲ２とでなる閉回路に、充電状態となっている電気二重層コンデンサ４０から出力された電流ｉ３が環流する。このとき、電気二重層コンデンサ４０の充電電圧をＶ４０、直流リアクトルＬ２のリアクタンスをＬ２、時間をｔとすると、電流ｉ３は（Ｖ４０／Ｌ２）×ｔの割合で電流値が上昇していく。
【００３２】電流ｉ３の電流値が上昇してきて、予め決めた目標バッテリー電流値ＩＢＯになると、スイッチング素子ＴＲ２が遮断状態となる。なお、目標バッテリー電流値ＩＢＯは、バッテリー６０の特性によって決定される小さな値である。
【００３３】スイッチング素子ＴＲ２が遮断状態になると、電気二重層コンデンサ４０に充電された電圧と、直流リアクトルＬ２の電磁エネルギーにより生じた電圧とが加わり、これにより、電流ｉ４がダイオードＤ２を介してバッテリー６０に充電される。
【００３４】一旦遮断状態となったスイッチング素子ＴＲ２は、前回に導通状態になった時点から一定時間経過すると、再び導通状態となり、これにより再び電流ｉ３が流れる。このように、スイッチング素子ＴＲ２を導通状態にすることにより電流ｉ３を流し、スイッチング素子ＴＲ２を遮断状態にすることにより電流ｉ４を流す動作を繰り返していくことにより、バッテリー６０への充電が行われる。
【００３５】このとき、電流ｉ４の電流値は、目標バッテリー電流値ＩＢＯにより規制されるため、バッテリー６０に対してダメージを与えることなく最適な電流値にて充電をすることができる。
【００３６】上述したように、スイッチング素子ＴＲ２の導通開始は、一定周期で（一定時間毎に）行われ、スイッチング素子ＴＲ２の遮断開始は、電流ｉ３の電流値が目標バッテリー電流値ＩＢＯになると行われる。
【００３７】バッテリー６０の充電電圧の電圧値が、予め設定した目標バッテリー電圧値ＶＢＯに近づいていくと、過充電を防止するために、目標バッテリー電流値ＩＢＯを徐々に低減していく。
【００３８】そして、バッテリー６０の充電電圧の電圧値が、予め設定した目標バッテリー電圧値ＶＢＯに達した後は、目標バッテリー電流値ＩＢＯを、補充バッテリー電流値ＩＢＨにまで下げて、バッテリー６０への充電動作を数時間継続する。このため、車両走行によりバッテリー６０から放電された電荷は、直ちに、電気二重層コンデンサ４０に蓄えた電荷により充電される。なお、補充バッテリー電流値ＩＢＨは、目標バッテリー電流値ＩＢＯに比べて大幅に小さい値としている。
【００３９】なお、バッテリー６０の充電電圧値が、目標バッテリー電圧値ＶＢＯよりも小さくなったら、補充バッテリー電流値ＩＢＨを目標バッテリー電流値ＩＢＯに戻して、バッテリー６０への充電をする。
【００４０】以上のようにバッテリー６０への充電は、バッテリーカーの走行中にも行われる。このとき、走行時のバッテリー６０からの放電電流が充電電流よりも大きい場合には、電気二重層コンデンサ４０からの充電は、走行していたバッテリーカーが停止した後も継続して行われる。この結果、屋外走行用バッテリーカーのように走行時間に対し停止時間が長い用途に対しては、バッテリー容量を小さくしても、電気二重層コンデンサ４０の容量を最大走行時間に対してもつように選定することにより、バッテリー６０の放電率は極めて小さくでき、高寿命化が図れる。
【００４１】結局、充電容量の大きな電気二重層コンデンサ４０を用いているため、バッテリー６０の容量を、屋外走行用バッテリーカーのバッテリー容量を、要求仕様に合致する最低容量に選定することができるのである。
【００４２】なお、曇天時や雨の日には、地上局による充電を短時間に行えるように、変圧器１０，整流部２０，スイッチング素子ＴＲ１の容量を選定すれば、電気二重層コンデンサ４０の充電電流を大きく選定できるので、実用上の問題はなくなる。
【００４３】
【発明の効果】以上実施の形態と共に具体的に説明したように、本発明によれば、地上局での充電の他に太陽電池での充電も行うことができるため、バッテリーの容量を小さくすることができる。さらに詳述すると、バッテリー容量をバッテリーカーの１日当りの総走行時に要する容量に選定しても、年間の太陽電池不使用日数を６０日とした場合、この時のバッテリー放電率は１００％であり、８０％容量低下を寿命と考えると２００サイクル程度となる。また、晴天日を２４０日とすると、この時の放電率を１０％以下と考えると、充電サイクルによる寿命は考慮する必要がなくなる。したがって寿命は約３年と考えられ、従来のバッテリーカーのバッテリー寿命程度となることから、バッテリーの小容量化が図れる。
【００４４】また、バッテリーの放電率を小さくできるため、シールドバッテリーが採用でき、バッテリー捕集に必要な補水作業をなくすことができ、保全性の向上を図ることができる。
【００４５】また、バッテリーの小型化によりバッテリーカーの自重低減が図れる。
【００４６】更に、エンジン車に比較してクリーンであり、しかも、太陽電池を使うことで省エネ化による運転コストの低減を図ることができる。
【００４７】また更に、エンジン車では、力行−回生制動の切替時に伝達トルク係数が変化するため、滑らかな制御ができないが、電気モータでは、４象限運転が可能で乗り心地のよい制御ができる。
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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
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| 【出願日】 |
平成１１年３月１日（１９９９．３．１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７８４９９
【弁理士】
【氏名又は名称】光石 俊郎 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２５３５１０（Ｐ２０００−２５３５１０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年９月１４日（２０００．９．１４） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−５２１７８ |
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