| 【発明の名称】 |
ハイブリッド電気自動車の電源システム |
| 【発明者】 |
【氏名】木下 繁則
【氏名】山田 淳
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| 【要約】 |
【課題】主蓄電装置が電気二重層キャパシタ電池からなるハイブリッド電気自動車において、主蓄電装置の初期充電または予備充電をエンジン発電機及び整流器により行い、外部電源からの充電を不要にする。
【解決手段】車載エンジンにより駆動される多相交流発電機に接続された多相整流器の直流出力または車載の主蓄電装置の電力によりインバータを介して車両駆動用交流電動機を駆動するハイブリッド電気自動車であって、前記整流器が電圧形自励変換器から構成され、かつ、前記主蓄電装置が電気二重層キャパシタ電池から構成されたハイブリッド電気自動車に関する。前記主蓄電装置４の電圧が規定値以下であるときに、この主蓄電装置４をエンジン１、発電機２及び整流器３を介して充電する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 車載エンジンにより駆動される多相交流発電機に接続された多相整流器の直流出力または車載の主蓄電装置の電力によりインバータを介して車両駆動用交流電動機を駆動するハイブリッド電気自動車であって、前記整流器が電圧形自励変換器から構成され、かつ、前記主蓄電装置が電気二重層キャパシタ電池から構成されたハイブリッド電気自動車において、前記主蓄電装置の電圧が規定値以下であるときに、この主蓄電装置を前記エンジン、前記発電機及び前記整流器を介して充電することを特徴とするハイブリッド電気自動車の電源システム。
【請求項２】 請求項１記載のハイブリッド電気自動車の電源システムにおいて、前記規定値を、前記整流器による充電電流制御が行えなくなる電圧値としたことを特徴とするハイブリッド電気自動車の電源システム。
【請求項３】 請求項１記載のハイブリッド電気自動車の電源システムにおいて、前記規定値を、前記発電機の線間電圧の尖頭値としたことを特徴とするハイブリッド電気自動車の電源システム。
【請求項４】 請求項１〜３の何れか１項に記載のハイブリッド電気自動車の電源システムにおいて、前記主蓄電装置の充電時に前記整流器を構成する半導体スイッチング素子をオフさせることを特徴とするハイブリッド電気自動車の電源システム。
【請求項５】 請求項１〜４の何れか１項に記載のハイブリッド電気自動車の電源システムにおいて、前記主蓄電装置の充電時における前記エンジンの回転数をアイドリング回転数に保つことを特徴とするハイブリッド電気自動車の電源システム。
【請求項６】 請求項１〜５の何れか１項に記載のハイブリッド電気自動車の電源システムにおいて、前記発電機自体のインピーダンスを、前記主蓄電装置の充電時に前記発電機または前記整流器もしくは前記主蓄電装置を流れる電流が規定値以下になるような値にすることを特徴とするハイブリッド電気自動車の電源システム。
【請求項７】 請求項１〜５の何れか１項に記載のハイブリッド電気自動車の電源システムにおいて、前記主蓄電装置の充電時に、前記発電機と前記整流器との間にインピーダンスからなる限流回路を接続し、前記発電機または前記整流器もしくは前記主蓄電装置を流れる電流を規定値以下にすることを特徴とするハイブリッド電気自動車の電源システム。
【請求項８】 請求項７記載のハイブリッド電気自動車の電源システムにおいて、前記インピーダンスを抵抗としたことを特徴とするハイブリッド電気自動車の電源システム。
【請求項９】 請求項７記載のハイブリッド電気自動車の電源システムにおいて、前記インピーダンスをリアクトルとしたことを特徴とするハイブリッド電気自動車の電源システム。
【請求項１０】 請求項１〜５の何れか１項に記載のハイブリッド電気自動車の電源システムにおいて、前記主蓄電装置の充電時に、前記整流器と前記主電源装置との間に抵抗を接続し、前記発電機または前記整流器もしくは前記主蓄電装置を流れる電流を規定値以下にすることを特徴とするハイブリッド電気自動車の電源システム。
【請求項１１】 請求項１〜５の何れか１項に記載のハイブリッド電気自動車の電源システムにおいて、前記発電機と前記整流器との間の少なくとも１相以上に回路開閉器を接続し、前記主蓄電装置の充電時に、前記整流器が単相整流動作となるように前記回路開閉器を少なくとも１相以上開動作させることを特徴とするハイブリッド電気自動車の電源システム。
【請求項１２】 請求項１〜１１の何れか１項に記載のハイブリッド電気自動車の電源システムにおいて、前記主蓄電装置の充電時に、前記インバータを前記主蓄電装置から切り離すことを特徴とするハイブリッド電気自動車の電源システム。
【請求項１３】 請求項１〜１２の何れか１項に記載のハイブリッド電気自動車の電源システムにおいて、前記エンジンのアイドリング回転数を前記主蓄電装置の充電電圧の上昇に応じて高めることを特徴とするハイブリッド電気自動車の電源システム。
【請求項１４】 請求項１３記載のハイブリッド電気自動車の電源システムにおいて、前記エンジンのアイドリング回転数を段階的に増加させることを特徴とするハイブリッド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電池を主蓄電装置に使用したハイブリッド電気自動車の電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】図１２は、ハイブリッド電気自動車の主蓄電装置に電気二重層キャパシタを適用した電源システムの基本構成を示す。従来、蓄電装置には化学電池を適用していたが、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、最近では電気二重層キャパシタ電池の適用が提案されている。
【０００３】図１２において、１はエンジン、２は交流発電機、３は整流器、４は主蓄電装置、５は車両駆動用交流電動機６を駆動するインバータであり、これらのエンジン１、発電機２、整流器３、主蓄電装置４、インバータ及び電動機６までがパワートレインである。主蓄電装置４は、複数の電気二重層キャパシタセル４１，４２，４３，……を直列接続した電気二重層キャパシタ電池から構成されている。なお、図１２では、電動機６以降の車両駆動機構とエアコン等の補機系については図示を省略してある。
【０００４】図１２は、シリーズハイブリッド式の電気自動車であり、エンジン１及び発電機２によって発生した電力の一部または全部を主蓄電装置４に充電する。そして、エンジン１及び発電機２により発生した電力と主蓄電装置４の電力との両方を用いて、インバータ５を介し電動機６により車両を駆動している。加速時は、発電機２の電力と主蓄電装置４の電力、または主蓄電装置４のみの電力を用い、インバータ５を介して電動機６を加速駆動する。一方、回生制動時は、電動機６に発生した制動電力をインバータ５を介して主蓄電装置４に回生する。
【０００５】前述したように、主蓄電装置４は車両の加速時には放電、回生制動時には充電の繰り返し作動となり、その回数は数万回にも達する。ハイブリッド電気自動車用主蓄電装置は、この充放電サイクル回数に耐えるものでなくてはならない。前述の電気二重層キャパシタ電池から構成される蓄電装置はこの性能を有しており、ハイブリッド電気自動車用として優れた蓄電装置であると言える。図１２に示した主蓄電装置４の電気二重層キャパシタ電池は、従来の化学二次電池を多数直列接続した組電池と同じく、電気二重層キャパシタセル４１，４２，４３，……を多数直列接続した構成となっている。
【０００６】さて、電気二重層キャパシタの蓄電エネルギはキャパシタの電圧の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、消費エネルギの増大に応じて電気二重層キャパシタの電圧は低下していく。仮にエネルギの７５％を使用すると、電圧は１／２に低下する。過放電状態になると電圧は更に低下し、従来の化学電池の放電終止状態に相当する過放電になると、キャパシタ電池はほぼ零になってしまう。これに対し、従来の化学電池では、過放電状態に至っても電圧は満充電時の電圧の１／２以上を保っている。
【０００７】図１３は、放電量（ＤＯＤ）に対する主蓄電装置の端子電圧について、化学電池と電気二重層キャパシタ電池とを比較して示したものである。同図においてａは化学電池、ｂは電気二重層キャパシタ電池の特性を示している。同図から、放電量が９０％以上の放電状態において、化学電池では約５０％以上の電圧であるのに対し、電気二重層キャパシタ電池では電圧がほぼ零近くになってしまう。
【０００８】図１２に示した電気二重層キャパシタ電池はキャパシタセル４１，４２，４３，……を多数直列接続した構成で示してあるが、通常は、図１４に示すように多数のキャパシタセル（４１１〜４１３，４２１〜４２３，４３１〜４３３）を直並列接続した構成となっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】図１２に示したようにエンジン発電機により電気二重層キャパシタ電池を充電する場合、大きな問題は電気二重層キャパシタ電池の初期充電と予備放電である。初期充電は電気二重層キャパシタ電池の電圧が零からの充電であり、予備充電は電気二重層キャパシタ電池の電圧が規定電圧以下からの充電である。発電機の最低電圧はエンジンのアイドリング運転時の発生電圧以下にはできない。従来の化学電池では、車両搭載後に１回初期充電を行えば、電池電圧は満充電時の１／２以上の電圧が確保され、発電機と整流器の制御によって充電電流を規定値に制御して充電することが可能であった。
【００１０】しかし、電気二重層キャパシタ電池の場合、過放電状態では電圧値がほぼ零状態になることがある。この場合、従来の化学電池の場合のように、エンジン発電機と整流器の制御によって充電することは不可能となる。このため、従来では図１５に示すような外部電源からの充電方式が採用されている。
【００１１】図１５において、図１２と同一構成要素は同一の番号を付してある。同図において、１００はハイブリッド電気自動車であり、実質的に図１２と同一の構成である。７は外部電源、８は充電器、９は自動車１００と充電器８とを接続する接続部である。主蓄電装置４である電気二重層キャパシタ電池の初期充電または予備充電時は、充電器８を自動車１００の接続部９に接続して、外部電源７から充電する。
【００１２】この従来の充電方式では、次の大きな問題があった。
（１）初期充電または予備充電の度に外部電源からの充電を行う必要があり、電気二重層キャパシタ電池の充電作業が煩雑となる。
（２）外部電源を確保できない場所では予備充電が不可能となる。この予備充電が不可能になるとハイブリッド電気自動車は走行できなくなり、自動車としては致命的問題となる。
【００１３】そこで本発明は、電気二重層キャパシタ電池を主蓄電装置に使用したハイブリッド電気自動車において、エンジン発電機の出力を利用して電気二重層キャパシタ電池の初期充電及び予備充電を行うようにした電源システムを提供しようとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明は、基本的に、電気二重層キャパシタ電池からなる主蓄電装置の端子電圧が零であったりほぼ零に近いような規定値以下の値であるときに、この主蓄電装置をエンジン発電機及び整流器を介して充電することを特徴とする。また、本発明は、交流発電機の出力短絡電流は発電機自体のインピーダンスによって決まることに着目してなされたもので、主蓄電装置の端子電圧が規定値以下の状態で充電する場合に、発電機自体のインピーダンスを、充電電流が規定値以下になるような大きさとするものである。更に、発電機と整流器との間にインピーダンスからなる限流回路を設けたり、整流器と主蓄電装置との間に抵抗を接続する等の手段により、主蓄電装置の充電電流を規定値以下に制限するものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。まず、図１は本発明の第１実施形態の主要部を示しており、請求項１〜６に記載した発明の実施形態に相当する。なお、図１２と同一構成要素は同一の番号を付してある。
【００１６】図１において、交流発電機２は永久磁石形同期発電機であり、３相の場合で示してある。整流器３は電圧形自励整流器であり、半導体スイッチアーム３１ｕ，３１ｖ，３１ｗ，３１ｘ，３１ｙ，３１ｚからなる３相ブリッジ構成である。これらのスイッチアームは、半導体スイッチング素子とダイオードとを図示のように逆並列接続して構成されている。図では、半導体スイッチアーム３１ｕ，３１ｘの半導体スイッチング素子３１０ｕ，３１０ｘ及びダイオード３１１ｕ，３１１ｘのみに番号を付し、他のスイッチアームについては省略してある。また、整流器３の直流出力側両端には電気二重層キャパシタ電池からなる主蓄電装置４が接続されている。
【００１７】次に、図１の実施形態の充電動作について図２を参照しつつ説明する。図２において、図１と同一構成要素は同一の番号を付してある。図２に示す整流器３の制御方式は、公知のＰＷＭ制御（正弦波−三角波変調方式）である。この制御の場合、電気二重層キャパシタ電池（主蓄電装置４）の電圧ｖcと発電機線間電圧実効値ｖgとの間には、数式１の関係が常に保たれている。
【００１８】
【数１】ｖg≦（１．５）1/2／２×ｖc【００１９】しかし、ｖcが上式に示す電圧値より小さい場合、つまり零電圧等である場合には、整流器３の正常な制御が行えないので、次のようにする。すなわち、整流器３の制御動作を停止した状態でエンジン１を始動し、アイドリング回転数で運転する。これにより、交流発電機２にはアイドリング回転に対応した電圧が発生する。このとき、発電機線間電圧の尖頭値電圧は主蓄電装置４の電圧ｖcより大であるので、図２の矢印方向（図示の例ではＵ相からＶ相に流れる方向）に電流が流れ、主蓄電装置４を充電する。
【００２０】図３は、図２の充電時における主要部の等価回路図である。同図において、２ａは発電機２の誘起電圧源であり、電圧ｖgを発生している。２ｂは発電機２の巻線の等価インピーダンスであり、巻線の等価リアクタンス２０ｂと巻線の等価抵抗２１ｂとを合成したものである。主蓄電装置４の充電電流ｉcは、このインピーダンス２ｂにより制限された電流となる。なお、３１１ｕ，３１１ｖはそれぞれ半導体スイッチアーム３１ｕ，３１ｙのダイオードである。
【００２１】図４は、充電時の各部の動作波形を示したものである。同図において、ｎはエンジン１の回転数、ｖgは発電機２の誘起電圧（線間電圧実効値）、ｖcは主蓄電装置４の電圧、ｉcは主蓄電装置４の充電電流である。この例では、発電機２が永久磁石形同期発電機の場合の動作を示してある。
【００２２】図４において、時刻ｔ＝０でエンジン１を始動する。エンジン回転数が上昇し、アイドリング回転数Ｎ0で回転を継続する。このとき、発電機２の誘起電圧ｖgもエンジン回転数に比例して上昇する。発電機誘起電圧ｖgの上昇に応じて、充電電流ｉcが流れるので、主蓄電装置４は充電され、その電圧ｖcは次第に上昇する。一方、発電機誘起電圧ｖgは一定であるので、主蓄電装置４の電圧ｖcの上昇に応じて、充電電流ｉcは減少する。その後、時刻ｔ＝Ｔの時点で主蓄電装置４の電圧ｖcが充電完了電圧Ｖ0に達したら充電を完了する。そして、エンジン１を停止することにより充電動作を終了する。
【００２３】次に、図５は本発明の第２実施形態の主要部を示す回路構成図であり、請求項７に記載した発明の実施形態に相当する。図５において、図１と同一構成要素は同一の番号を付してある。この実施形態では、交流発電機２と整流器３との間に限流回路２００を接続する。図５は３相の場合で示してあり、インピーダンス２００ｕ，２００ｖ，２００ｗを各々各相に直列に接続する。また、主蓄電装置４の予備充電が完了したら各インピーダンス２００ｕ，２００ｖ，２００ｗを短絡するため、短絡スイッチ２０１ｕ，２０１ｖ，２０１ｗを各インピーダンスに図示のように並列に接続する。
【００２４】図５の実施形態では、主蓄電装置４の充電電流を規定値以下に保つために必要な発電機２のインピーダンスの不足分として、インピーダンス２００ｕ，２００ｖ，２００ｗを発電機の外部に付加して充電電流を限流するものである。また、これらのインピーダンスは、請求項８に示すように限流効果が等しい抵抗としても良いし、また請求項９に示すように、限流効果が等しいリアクトルとしても良い。
【００２５】図６は、本発明の第３実施形態の主要部を示す回路構成図であり、請求項１０に記載した発明の実施形態に相当する。図６において、図１２と同一構成要素は同一番号を付してある。図６の実施形態では、整流器３と主蓄電装置４との間に抵抗３２を接続する。また、この抵抗３２には、主蓄電装置４の予備充電が完了したら短絡するスイッチ３３を並列に接続する。
【００２６】図７は、本発明の第４実施形態の主要部を示す回路構成図であり、請求項１１に記載した発明の実施形態に相当する。図７では３相の場合で示してあり、発電機２と整流器３との間の１相に交流開閉器２１が挿入されている。また、図１２と同一構成要素は同一番号を付してある。
【００２７】この実施形態では、主蓄電装置４の初期充電または予備充電時は交流開閉器２１を開動作にして、整流器３を単相整流器動作させる。３相の場合には、整流器３の無負荷出力電圧（平均値）は発電機２の無負荷線間電圧実効値の約１．３５倍となるが、単相にすると約０．９倍となり、充電電圧が低下して充電電流が減少する。本実施形態は、特に、充電電流が大きく、電流低減が必要な場合に有効である。
【００２８】図８は、本発明の第５実施形態の主要部を示す回路構成図であり、請求項１２に記載した発明の実施形態に相当する。図８において、図１２と同一構成要素は同一番号を付してある。図８の実施形態では、主蓄電装置４の初期充電または予備充電時はインバータ５を主蓄電装置４から切り離すためのスイッチ１０を主蓄電装置４とインバータ５との間に挿入する。主蓄電装置４の初期充電または予備充電時はスイッチ１０を作動させて、インバータ５を主蓄電装置４から切り離す。
【００２９】図９は、本発明の第６実施形態の主要部を示す回路構成図であり、請求項１３，１４に記載した発明の実施形態に相当する。図９において、図８と同一構成要素は同一番号を付してある。図９において、１ａは主蓄電装置４の充電時に、その充電電圧に応じてエンジン１のアイドリング回転数を可変制御するための回転数指令装置であり、本実施形態はこの指令装置１ａを図８の構成に付加したものである。
【００３０】図１０は、図９における各部の動作について示したもので、この例は、主蓄電装置４の充電電流ｉcがほぼ一定になるように、エンジン１のアイドリング回転数ｎを回転数指令装置１ａにより連続制御している場合を示している。発電機誘起電圧ｖgはアイドリング回転数ｎに比例して変化し、主蓄電装置４の電圧ｖcは直線的に上昇して時刻ｔ＝Ｔの時点で充電完了電圧Ｖ0に到達し、充電を完了する。そして、エンジン１を停止することにより充電動作を終了する。
【００３１】図１１は、図９の実施形態の他の動作例について示したもので、主蓄電装置４の充電電圧により、エンジン１のアイドリング回転数を２段階に切替える場合である。これらの図１０、図１１に示す充電方式の場合は、図４に示した充電方式に比べて充電時間が大幅に短縮される。
【００３２】なお、上記実施形態では本発明をシリーズハイブリッド電気自動車に適用した場合につき説明したが、パラレルハイブリッド電気自動車を初めとする他のハイブリッド電気自動車（エンジン発電機と主蓄電装置としての電気二重層キャパシタ電池を搭載した電気自動車）に対して本発明を適用可能であることは勿論である。
【００３３】
【発明の効果】以上のように本発明は、主蓄電装置として電気二重層キャパシタ電池を用いたエンジン発電機搭載形のハイブリッド電気自動車において、主蓄電装置の初期充電及び予備充電をエンジン発電機及び整流器を介して行なうようにした電源システムであるため、次の効果が期待される。
１）主蓄電装置（電気二重層キャパシタ電池）の初期充電及び予備充電を車載のエンジン発電機から直接行なうことができ、従来のような外部電源からの充電が不要になるため、実用性の高いハイブリッド電気自動車の電源システムを実現することができる。
２）ハイブリッド電気自動車の主蓄電装置として電気二重層キャパシタ電池の適用を推進させ、長寿命な電池の実現により実用的なハイブリッド電気自動車を提供することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５２３４
【氏名又は名称】富士電機株式会社
【識別番号】０００００３９０８
【氏名又は名称】日産ディーゼル工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年３月２４日（１９９９．３．２４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９１２８１
【弁理士】
【氏名又は名称】森田 雄一
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２７８８０７（Ｐ２０００−２７８８０７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１０月６日（２０００．１０．６） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−７８９０９ |
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