| 【発明の名称】 |
電気自動車の電源システム |
| 【発明者】 |
【氏名】渡邉 慶人
【氏名】山田 淳
【氏名】岡村 廸夫
【氏名】山岸 政章
【氏名】木下 繁則
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| 【要約】 |
【課題】電気自動車の電源システムにおいて、小型軽量化と高効率化をはかる。
【解決手段】走行用モータ６に電力を供給する主蓄電装置４と、主蓄電装置４に電気二重層キャパシタセル１によって構成される３つの電池ブロック１０，１１，１２と、主蓄電装置４の電圧Ｖｃが規定値Ｖ１以上となるように電気二重層キャパシタセル１００，１１０，１２０の充放電による電圧変化に対応して直列に接続される電池ブロック１０，１１，１２の数を切換えるブロック接続切換回路１３とを備える。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】走行用モータに電力を供給する主蓄電装置を備え、前記主蓄電装置を複数の電気二重層キャパシタセルによって構成する電気自動車の電源システムにおいて、前記主蓄電装置に前記電気二重層キャパシタセルによって構成される複数の電池ブロックと、前記主蓄電装置の電圧が規定値以上となるように前記電気二重層キャパシタセルの充放電による電圧変化に対応して直列に接続される前記電池ブロックの数を切換えるブロック接続切換回路とを備えたことを特徴とする電気自動車の電源システム。
【請求項２】前記主蓄電装置の電圧が規定値以下となるように前記各電池ブロックに蓄えられる電力を漸次変えることを特徴とする請求項１に記載の電気自動車の電源システム。
【請求項３】前記ブロック接続切換回路を双方向通流型半導体スイッチで構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の電気自動車の電源システム。
【請求項４】前記双方向通流型半導体スイッチを互いに逆並列接続される対のサイリスタで構成したことを特徴とする請求項３に記載の電気自動車の電源システム。
【請求項５】前記双方向通流型半導体スイッチを互いに逆並列接続される対の逆阻止型ＧＴＯサイリスタで構成したことを特徴とする請求項３に記載の電気自動車の電源システム。
【請求項６】前記双方向通流型半導体スイッチを互いに逆極性に直列接続される対のトランジスタと、前記各トランジスタに対して逆並列に接続されるダイオードで構成したことを特徴とする請求項３に記載の電気自動車の電源システム。
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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、電気二重層キャパシタセルを主蓄電装置に用いた電気自動車の電源システムの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】電気自動車等に搭載される主蓄電装置は、車両の加速時および定速走行時に放電、制動時に充電を繰り返し、その作動回数は数万回にも達するが、主蓄電装置として化学電池は充放電サイクル寿命が短く、かつ高出力作動時の効率が悪いため、近年、主蓄電装置として電気二重層キャパシタセルが着目されている。
【０００３】図１２はシリーズ式ハイブリッド車に搭載される主蓄電装置に電気二重層キャパシタセルを適用した電気システムの公知の基本構成例を示す。エンジン１は発電機２を駆動し、発電機２で発電される電力が整流器３を介して主蓄電装置４に供給されるとともに、インバータ５を介して走行用モータ６に供給される。図示しない車輪は走行用モータ６によって駆動される。図において、８は化学電池で構成される補助蓄電装置、７は補助蓄電装置８を充電するＤＣ−ＤＣコンバータ、９は補機である。
【０００４】主蓄電装置４は、多数の電気二重層キャパシタセル４１，４２，４３，…が直列に接続され、従来の化学二次電池を電気二重層キャパシタセルに置き換えたシステムとなっている。
【０００５】加速時または定速走行時に、発電機２で発生した電力の一部または全部が主蓄電装置４に充電され、発電機２で発生した電力と主蓄電装置４の電力がインバータ５を介して走行用モータ６に供給される。制動時に、走行用モータ６に発生した制動電力がインバータ５を介して主蓄電装置４に回生される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、電気二重層キャパシタセル４１，４２，４３，…の蓄電エネルギはキャパシタセル４１，４２，４３，…の電圧の２乗に比例する。言い換えれば、直流電源として使用した場合、放電エネルギの増大に応じてキャパシタセル４１，４２，４３，…の電圧は低下して行く。エネルギの７５％を放電すると、電圧は１／２に低下する。
【０００７】主蓄電装置４とインバータ５の間にチョッパ回路４４を挿入して、インバータ５の入力電圧を一定にする方法がとられているが、チョッパ回路４４は電流平滑用リアクトルが必須であり、このリアクトル電流は主蓄電装置４の電圧に反比例するので、主蓄電装置４の電圧が半減するとリアクトル電流は２倍にもなる。このため、主蓄電装置４の電圧の変動が大きいと、チョッパ回路４４が大型化し、効率が低下するという問題点があった。
【０００８】また、特開平８−１６８１８２号公報として電気二重層キャパシタセルを用いた電源装置が提案されている。
【０００９】本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、電気自動車の電源システムの小型軽量化と高効率化をはかることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、走行用モータに電力を供給する主蓄電装置を備え、主蓄電装置を複数の電気二重層キャパシタセルによって構成する電気自動車の電源システムに適用する。
【００１１】そして、主蓄電装置に電気二重層キャパシタセルによって構成される複数の電池ブロックと、主蓄電装置の電圧が規定値以上となるように電気二重層キャパシタセルの充放電による電圧変化に対応して直列に接続される電池ブロックの数を切換えるブロック接続切換回路とを備えるものとした。
【００１２】第２の発明は、第１の発明において、主蓄電装置の電圧が規定値以下となるように各電池ブロックに蓄えられる電力を漸次変えるものとした。
【００１３】第３の発明は、第１または第２の発明において、ブロック接続切換回路を双方向通流型半導体スイッチで構成するものとした。
【００１４】第４の発明は、第３の発明において、双方向通流型半導体スイッチを互いに逆並列接続される対のサイリスタで構成するものとした。
【００１５】第５の発明は、第３の発明において、双方向通流型半導体スイッチを互いに逆並列接続される対の逆阻止型ＧＴＯサイリスタで構成するものとした。
【００１６】第６の発明は、第３の発明において、双方向通流型半導体スイッチを互いに逆極性に直列接続される対のトランジスタと、各トランジスタに対して逆並列に接続されるダイオードで構成するものとした。
【００１７】
【発明の作用および効果】第１の発明において、各キャパシタ電池ブロックの蓄電エネルギはキャパシタセルの電圧の２乗に比例するため、充放電による蓄積エネルギの変化でキャパシタブロックの電圧が大きく変動するが、ブロック接続切換回路が各キャパシタ電池ブロックの充放電に応じてこれらを必要数だけ直列に接続することにより、主蓄電装置の電圧の変動が抑えられる。このため、主蓄電装置の電圧を略一定にするチョッパ回路の小形軽量化、高効率化がはかれ、長寿命な電気自動車の電源システムを実現できる。
【００１８】第２の発明において、各電池ブロックに蓄えられる電力を漸次変えて、主蓄電装置の電圧が規定値以下となるように設定することにより、電池ブロック接続時に主蓄電装置の電圧が過大になることが抑えられる。このため、主蓄電装置の電圧を略一定にするチョッパ回路の小形軽量化、高効率化がはかれ、長寿命な電気自動車の電源システムを実現できる。
【００１９】第３の発明において、双方向通流型半導体スイッチは主蓄電装置の放電又は充電の電流の向きに対応して自動的に通流する。
【００２０】第４の発明において、電流の向きと無関係に逆並列に接続されたサイリスタの両方にオンオフ信号を与えることにより、主蓄電装置の放電又は充電の電流の向きに対応して自動的に通流する。
【００２１】第５の発明において、電流の向きと無関係に逆並列に接続された逆阻止型ＧＴＯサイリスタの両方にオンオフ信号を与えることにより、主蓄電装置の放電又は充電の電流の向きに対応して自動的に通流する。
【００２２】第６の発明において、電流の向きと無関係に逆極性に直列接続されたトランジスタの両方にオンオフ信号を与えることにより、主蓄電装置の放電又は充電の電流の向きに対応して自動的に通流する。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、本発明をシリーズ式ハイブリッド車に搭載される主蓄電装置に適用した電気システムの実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２４】図１に示すように、エンジン１は発電機２を駆動し、発電機２で発電される電力が整流器３を介して主蓄電装置４に供給されるとともに、インバータ５を介して走行用モータ６に供給される。主蓄電装置４とインバータ５の間に昇降圧チョッパ回路４４が介装され、インバータ５の入力電圧を一定にするようになっている。図示しない車輪は走行用モータ６によって駆動される。図において、８は化学電池で構成される補助蓄電装置、７は補助蓄電装置８を充電するＤＣ−ＤＣコンバータ、９は補機である。
【００２５】主蓄電装置４は、３つのキャパシタ電池ブロック１０，１１，１２と、ブロック接続切換回路１３とで構成される。なお、キャパシタ電池ブロック数は２つ以上あればよい。
【００２６】各キャパシタ電池ブロック１０，１１，１２は、それぞれ複数の電気二重層キャパシタセル１００，１１０，１２０を直並列接続している。キャパシタ電池ブロック１０，１１，１２の電圧極性は同一極性とする。
【００２７】図２に示すように、ブロック接続切換回路１３はスイッチ１３０，１３１，１３２を備え、これらがオンオフされることで各キャパシタ電池ブロック１０，１１，１２を必要数だけ直列に接続する。各スイッチ１３０，１３１，１３２は双方向通流型の半導体スイッチで構成される。図２において各電池ブロック１０，１１，１２のキャパシタセルの表示は省略してある。
【００２８】図３に示すように、ブロック接続切換回路１３のスイッチ１３０はサイリスタ１３０ａ，１３０ｂを逆並列に接続して構成される。動作モードによってスイッチ１３０がオンオフされるとき、電流の向きと無関係に逆並列に接続されたサイリスタ１３０ａ，１３０ｂの両方にオンまたはオフ信号を与えることにより、主蓄電装置４の放電又は充電の電流の向きに対応して自動的に通流する。スイッチ１３１，１３２も同様な構成であるので説明は省略する。
【００２９】ブロック接続切換回路１３は、主蓄電装置４の電圧が規定値Ｖ１以上となるように電気二重層キャパシタセル１００，１１０，１２０の充放電による電圧変化に対応して電池ブロック１０，１１，１２の接続を切換えるようになっている。図４は図２の回路構成について、主蓄電装置４の電圧Ｖｃの挙動を放電動作の場合について示したものである。図５は図３の動作モードに対応した図２の等価回路を示す。
【００３０】モードＩではスイッチ１３０をオン、スイッチ１３１，１３２をオフする。主蓄電装置４の電圧は電池ブロック１０の電圧となり、図５に示す(ａ）の回路となる、キャパシタセルの電流は電池ブロック１０からのみの放電となり、電池ブロック１０の電圧Ｖ０が図４のモードＩに示すように低下して行く。主蓄電装置４の電圧Ｖｃが規定値Ｖ１になったら、スイッチ１３１をオンして、スイッチ１３０をオフする。これにより、主蓄電装置４はキャパシタ電池ブロック１０，１１の直列接続となり、図５の(ｂ)の回路となる。主蓄電装置４の電圧Ｖｃはキャパシタ電池ブロック１０，１１の和の電圧Ｖ２となる。この回路での動作が図４のモードIIである。Ｖ２はＶ０と略等しい値になる様、キャパシタ電池ブロック１１の電圧は選定される。
【００３１】モードIIで放電が更に進むと、キャパシタ電池ブロック１０，１１が放電して電圧ＶｃがＶ１まで低下すると、スイッチ１３２をオンして、スイッチ１３０，１３１をオフする。これにより、主蓄電装置４はキャパシタ電池ブロック１０，１１，１２の直列接続となり、図５の(ｃ)の回路となる。キャパシタ電池ブロック１０，１１，１２の和の電圧が出力電圧Ｖ３になる。キャパシタ電池ブロック１２の電圧Ｖ３がＶ０と略等しくなるように選定される。この回路での動作が図４の動作モードIIIである。
【００３２】モードIIIで、放電が進むと電圧Ｖ３が低下して規定電圧値Ｖ１に達したら、各キャパシタ電池ブロック１０，１１，１２の放電動作は終了となる。
【００３３】上記電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の最大値が略等しくなるように、各電池ブロック１０，１１，１２に蓄えられる電力を漸次小さく設定している。これにより、電池ブロック１０に対して電池ブロック１１，１２が接続されるときの電圧を規定値以下に抑えられる。
【００３４】主蓄電装置４が充電される場合は、前述した主蓄電装置４が放電される場合の動作の逆となるので、詳述は省略する。
【００３５】図６はチョッパ回路４４の回路構成を示し、図において、４４１，４４２は半導体スイッチで、同図ではトランジスタの場合で示してある。４４３，４４４はダイオードで図示のように半導体スイッチ４４１，４４２に逆並列に接続される。４４５は電流平滑リアクトル、４４６，４４７はフィルタコンデンサである。
【００３６】加速および定速走行時に、主蓄電装置４の電圧Ｖｃはインバータ５の入力電圧より下がるのと、チョッパ回路４４は、図７に示すように、昇圧チョッパとして作動させる。この場合、半導体スイッチ４４１をスイッチングし、半導体スイッチ４４２はオフする。
【００３７】回生制動時に、チョッパ回路４４は図８に示すように降圧チョッパとして作動させる。この場合、半導体スイッチ４４２をスイッチングし、半導体スイッチ４４１をオフする。
【００３８】図９は図６のチョッパ回路４４の動作を説明する図である。モードＩは加速、定遠走行時、モードIIは蛇行時、モードIIIは制動時の動作を示す。加速、定速走行時は主蓄電装置４は放電して、電池電圧Ｖｃは減少するが、チョッパ回路４４の昇圧動作により、インバータ５の入力電圧Ｖｉは一定に保たれる。チョッパ回路４４の電流Ｉｃ（図６のリアクトルの電流）は主蓄電装置４の電圧低下に応じて増大する。モードIIIの回生制動では、チョッパ回路４４の降圧チョッパ動作により、チョッパ回路４４の入力電圧を一定に保ちながら、回生電力を主蓄電装置４に充電する。チョッパ回路４４の電流Ｉｃは主蓄電装置４の電圧Ｖｃの上昇に応じて減少する。
【００３９】各キャパシタ電池ブロック１０，１１，１２の蓄電エネルギはそれぞれの電圧の２乗に比例するため、充放電による蓄積エネルギの変化でそれぞれの電圧が大きく変動するが、ブロック接続切換回路１３が各キャパシタ電池ブロック１０，１１，１２の充放電に応じてこれらを必要数だけ直列に接続することにより、主蓄電装置４の電圧Ｖｃの変動が抑えられる。チョッパ回路４４は電流平滑用リアクトル４４５を備え、このリアクトル電流は主蓄電装置４の電圧Ｖｃに反比例するので、主蓄電装置４の電圧Ｖｃの変動が抑えられることにより、チョッパ回路４４の小形軽量化、高効率化がはかれ、長寿命な電気自動車の電源システムを実現できる。
【００４０】ブロック接続切換回路１３の半導体スイッチ１３０は、回路切換え時のみのスイッチング動作で、定常時にスイッチングを行わず、かつ通流する半導体スイッチは１素子で済むので、高効率な電源システムが実現できる。
【００４１】図１０はキャパシタ電池切換回路１３のスイッチ１３０の第二の実施形態を示すもので、スイッチ１３０は逆阻止型ＧＴＯサイリスタ１３０ｃ，１３０ｄを逆並列に接続して構成される。動作モードによってスイッチ１３０がオンオフされるとき、電流の向きと無関係に逆並列に接続された逆阻止型ＧＴＯサイリスタ１３０ｃ，１３０ｄの両方にオンまたはオフ信号を与えることにより、主蓄電装置４の放電又は充電の電流の向きに対応して自動的に通流する。スイッチ１３１，１３２も同様な構成であるので説明は省略する。
【００４２】図１１はキャパシタ電池切換回路１３のスイッチ１３０の第三の実施の形態を示すもので、スイッチ１３０はトランジスタ１３０ｅ，１３０ｆを逆極性に直列接続し、同様にダイオード１３０ｇ，１３０ｈをトランジスタ１３０ｅ，１３０ｆに対して逆並列に接続して構成される。動作モードによってスイッチ１３０がオンオフされるとき、電流の向きと無関係に逆極性に直列接続されたトランジスタ１３０ｅ，１３０ｆの両方にオンまたはオフ信号を与えることにより、主蓄電装置４の放電又は充電の電流の向きに対応して自動的に通流する。スイッチ１３１，１３２も同様な構成であるので説明は省略する。
【００４３】以上、シリーズ式ハイブリッド電気自動車の場合で説明したが、本発明はパラレル式ハイブリッド電気自動車や発電機を搭載しない電気自動車、燃料電池を電源とする電気自動車をはじめとする他の電気自動車の電源システムに適用可能である。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３９０８
【氏名又は名称】日産ディーゼル工業株式会社
【識別番号】３９３０１３５６０
【氏名又は名称】株式会社岡村研究所
【識別番号】５９４０８６２８８
【氏名又は名称】株式会社パワーシステム
【識別番号】０００００５２３４
【氏名又は名称】富士電機株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年３月１９日（１９９９．３．１９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７５５１３
【弁理士】
【氏名又は名称】後藤 政喜 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２７８８０６（Ｐ２０００−２７８８０６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１０月６日（２０００．１０．６） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−７５９８７ |
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