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【発明の名称】 電気自動車の電源システム
【発明者】 【氏名】木下 繁則

【氏名】渡邉 慶人

【氏名】山田 淳
【要約】 【課題】補助用蓄電装置から主蓄電装置を構成する電気二重層キャパシタ電池の各セルについての全揃充電をする場合に、補助蓄電装置を充電するＤＣ−ＤＣコンバータとは別に主蓄電装置充電用のＤＣ−ＤＣコンバータを設置する必要があった。

【解決手段】主蓄電装置４を構成する電気二重層キャパシタ電池の各セル４１，４２，４３，・・・についての全揃充電をするためのＤＣ−ＤＣコンバータと、補助蓄電装置８を充電するＤＣ−ＤＣコンバータとを同一のＤＣ−ＤＣコンバータ１７〜１９とし、同時に双方向型とする。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 車載エンジン発電機の電力または車載主蓄電装置の電力で車両を駆動する電気自動車であって、電気二重層キャパシタセルを複数個直列または直並列接続したキャパシタ電池ブロックを切替え回路を介して複数個組み合わせてなる主蓄電装置と、車両補機用の補助蓄電装置と、前記主蓄電装置と補助蓄電装置の間に接続されて主蓄電装置の電力で補助蓄電装置を充電するＤＣ−ＤＣコンバータとを備えた電気自動車の電源システムにおいて、前記キャパシタ電池ブロックのキャパシタセルを監視して全揃充電を開始するタイミングか否かを判別する手段と、全揃充電開始タイミングと判別された場合に、補助蓄電装置の電力を用いて、充電対象のキャパシタセルの全数または所定数が所定電圧に達するまでキャパシタセルを充電する全揃充電用ＤＣ−ＤＣコンバータと、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】 請求項１記載の電気自動車の電源システムにおいて、全揃充電用ＤＣ−ＤＣコンバータを各キャパシタ電池ブロックごとに設けたことを特徴とする電気自動車の電源システム。
【請求項３】 請求項１または２記載の電気自動車の電源システムにおいて、補助蓄電装置用のＤＣ−ＤＣコンバータと全揃充電用のＤＣ−ＤＣコンバータとを同一のＤＣ−ＤＣコンバータとしかつ双方向型としたことを特徴とする電気自動車の電源システム。
【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の電気自動車の電源システムにおいて、全揃充電の開始タイミング判別手段は、キャパシタ電池ブロックの電圧が所定値以下に低下したら開始タイミングであると判別することを特徴とする電気自動車の電源システム。
【請求項５】 請求項１〜３のいずれかに記載の電気自動車の電源システムにおいて、全揃充電の開始タイミング判別手段は、キャパシタ電池ブロックの前回の全揃充電終了後の経過時間を計測し所定時間に達したら開始タイミングであると判別することを特徴とする電気自動車の電源システム。
【請求項６】 請求項１〜３のいずれかに記載の電気自動車の電源システムにおいて、全揃充電の開始タイミング判別手段は、キャパシタ電池ブロックの前回の全揃充電終了後の充放電サイクル数を計測し所定回数に達したら開始タイミングであると判別することを特徴とする電気自動車の電源システム。
【請求項７】 請求項１〜３のいずれかに記載の電気自動車の電源システムにおいて、全揃充電の開始タイミング判別手段は、キャパシタ電池ブロックの前回の全揃充電終了後の経過時間および充放電サイクル数を組み合わせた値にもとづいて判別することを特徴とする電気自動車の電源システム。
【請求項８】 請求項１〜７のいずれかに記載の電気自動車の電源システムにおいて、前記キャパシタ電池ブロックの各キャパシタセルにそれぞれ電圧均等化回路を接続したことを特徴とする電気自動車の電源システム。
【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を主蓄電装置に使用した電気自動車または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】従来、電気自動車またはハイブリッド電気自動車の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、且つ高出力作動時の効率が悪いため、電気二重層キャパシタ電池が適用されてきている。図５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例を示す。図において、１はエンジン、２は発電機、３は整流器、４は主蓄電装置、５は車両駆動電動機６を駆動するインバータである。エンジン１から車両駆動電動機６までがパワートレインである。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。主蓄電装置４は、電気二重層キャパシタセル４１,４２,４３,・・を複数直列接続して構成されている。なお、電動機６以降の駆動機構についての図示は省略してある。
【０００３】図示されたシステムは、シリーズハイブリッド式の電気自動車の電源システムであり、エンジン１と発電機２で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。エンジン１と発電機２で発生した電力と主蓄電装置４の電力で、インバータ５を介して電動機６を駆動して車両を走行させる。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のみの電力で、インバータ５を介して電動機６を加速駆動する。回生制動時は、電動機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。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ７はパワートレイン系の主蓄電装置４から補助電源８を充電するチャージャであり、エンジン車のオルタネータに相当する。
【０００４】なお、発電機を搭載しない電気自動車の電源システムは、図５から、エンジン１、発電機２、整流器３を除去したシステム構成となり、共通の構成部分は動作が同一となるので、詳述を省略する。図６は図５のＤＣ−ＤＣコンバータ７の回路構成を示したものである。図において、７０，７１は半導体スイッチ、７２，７３，７４，７５はダイオード、７６は変圧器、７７は電流平滑リアクトル、７８，７９は電圧平滑コンデンサである。この回路方式は２石式フォワード型と呼ばれる公知の回路方式であるのでその動作説明は省略する。
【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、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。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による蓄電装置はこの性能を有しており、電気自動車用として優れた蓄電装置と言える。図５に示した電気二重層キャパシタ電池も、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を多数直列接続して構成されており、従来の化学二次電池が電気二重層キャパシタに置き換えられたシステムである。
【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行く。エネルギの７５％を使用すると、電圧は１／２に低下する。図５に示す電源システムでは、消費電力によってインバータの入力電圧が大きく変化する。特に電気自動車の場合、電圧が低下すると、中高速域の車両性能が大きく低下する。このため、実際は図７に示すように主蓄電装置であるキャパシタ電池４とインバータ５との中間にチョッパ４４を挿入して、インバータ５への入力電圧を一定にする方法や、図８に示したように、キャパシタ電池を複数のブロックに分割し、このブロックをスイッチで切り替えて、インバータの入力電圧の変化を小さくする方法が提案されている。
【０００７】すなわち、図８において、１０，１１，１２はキャパシタ電池ブロックであり、各々キャパシタセル１００，１１０，１２０を必要数直列接続している。１３はキャパシタブロックの接続切替スイッチである。図９は図８の切替スイッチ部１３の詳細を示す図である。１３０，１３１，１３２は両方向通流型のスイッチで、通常半導体スイッチが用いられる。図１０は図９の電源システムの場合のインバータ入力電圧の挙動を示す。動作モードＩでは、スイッチ１３０を閉じて、スイッチ１３１，１３２は開とする。すると、キャパシタ電池はキャパシタ電池ブロック１０の電圧となる。動作モードIIでは、スイッチ１３１を閉じて、スイッチ１３０，１３２を開にする。すると、キャパシタ電池はキャパシタ電池ブロック１０，１２の直列となる。動作モードIIIでは、スイッチ１３２を閉じて、スイッチ１３０，１３１を開にする。すると、キャパシタ電池はキャパシタ電池ブロック１０，１１，１２の直列となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前述のように電気二重層キャパシタは化学電池と違い、蓄積エネルギは電圧の２乗に比例する。すなわち、蓄積エネルギの増大に応じて、キャパシタ電圧が上昇する。また、図５〜図９に示した電源システムでは電気二重層キャパシタを従来の化学二次電池の組電池と同じように使用している。即ち、多数のキャパシタセルを直列接続したキャパシタ電池を１つのキャパシタ電池とみなして使用している。多数直列接続された電気二重層キャパシタは、充電した状態での長時間放置または充放電を繰り返すとキャパシタセル電圧にバラツキが発生するので、頻繁に充放電を繰り返す電気自動車に適用すると、この電圧のバラツキによって、一部のキャパシタセルが過電圧になり、キャパシタ電池の故障に至ってしまう。
【０００９】電気自動車にとって、蓄電装置の故障は重大故障であるので、電気二重層キャパシタ電池を電気自動車に適用する場合、キャパシタセルが過電圧にならないことが大きく求められている。次に、直列接続された電気二重層キャパシタセルの電圧挙動について説明する。図５に示した電気二重層キャパシタセルの内部等価回路は図１１のように表される。図１１は図５のキャパシタセル４１について示したものである。電気二重層キャパシタセル４１は、等価的にキャパシタエレメント４１０a,４１１a,４１２a,・・・が抵抗４１０b,４１１b,４１２b,・・・を介して並列接続されているとみなせる。また、キャパシタセル毎に自己放電を等価的に表す放電抵抗４１０c,４１１c,４１２c,・・・がキャパシタエレメント４１０a,４１１a,４１２a,・・・に並列に接続されているとみなせる。
【００１０】ここで、電気自動車用主蓄電装置に電気二重層キャパシタ電池を適用する場合、電気二重層キャパシタセルを複数個直列接続して使用するが、各キャパシタセル毎の回路定数は全て同じではないことによる問題が発生する。以下にその内容を説明する。キャパシタ電池を充電した状態で長時間放置すると、各キャパシタセル毎に内部の自己放電抵抗によって自己放電する。この直列接続キャパシタセルの電圧挙動を図１２で説明する。説明を簡素化するため、２ケ直列の場合で説明する。
【００１１】図１２で、２ケのキャパシタセルＣ1,Ｃ2が均一に電圧Ｖ1に充電された状態（合成電圧はＶ0）の時刻ｔ＝Ｔ0で、キャパシタ電池を開放状態にして放置する。時刻ｔ＝Ｔ1までキャパシタセルを自己放電させると、自己放電抵抗値の違いにより、時刻ｔ＝Ｔ1でのキャパシタセルＣ1,Ｃ2の電圧値は異なってくる。次に、時刻ｔ＝Ｔ1からキャパシタ合成電圧が規定値Ｖ0になるｔ＝Ｔ2まで充電する。両キャパシタセルはほぼ同じ電圧ΔＶ／２上昇する。時刻ｔ＝Ｔ2でキャパシタセルＣ1の電圧はキャパシタセルＣ2よりも大きくなるが、過電圧レベルＶ2には達しない。
【００１２】時刻ｔ＝Ｔ2で、再びキャパシタ電池を開放状態にして放置する。両キャパシタセルは自己放電を始める。時刻ｔ＝Ｔ3のキャパシタセル電圧のバラツキは時刻ｔ＝Ｔ1の時よりも更に拡大する。時刻ｔ＝Ｔ3で再び、キャパシタセル合成電圧が規定値Ｖ1になる時刻ｔ＝Ｔ4まで充電する。時刻ｔ＝Ｔ3の時点でのキャパシタセル電圧のバラツキを受けて、時刻ｔ＝Ｔ4での電圧のバラツキは時刻ｔ＝Ｔ2の時の電圧より更に拡大し、キャパシタセルＣ1の電圧は過電圧レベルＶ2を越えてしまい、キャパシタセルの故障にまで発展してしまう。図１２では、時刻ｔ＝Ｔ1,Ｔ2で開放して自己放電させる場合について示したが、負荷へ電力供給して放電する場合も同じ現象となる。この場合は、自己放電の場合より、放電時間は短くなる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】そこでこれらの問題の対策として、従来は、電気二重層キャパシタセルを多数直列接続して電池として使用する場合、直列キャパシタセルの１つでも過電圧にならないよう、各キャパシタセル毎に電圧均等化回路を接続し、キャパシタセルが過電圧になる前に、適当なタイミングでキャパシタセル電圧を均等にする方法がとられている。図１３はこの方法について示したものである。図１２の場合と同じく、直列数２の場合で示してある。キャパシタセル電圧Ｖが基準電圧Ｖ1に達すると、電圧均等化回路４a,４bを作動させて充電電流Ｉ0の一部をｉbとして電圧均等化回路４a,４bに分流させる。キャパシタセル電圧の上昇に応じて、この分流量を増し、キャパシタセル電圧がＶ2に達すると、キャパシタセルへの電流ｉcを零にする。
【００１４】このように、キャパシタセル電圧を監視し、規定電圧以上では充電電流をバイパスさせることによって、キャパシタセルの電圧はＶ2より高くはならない。なお、電圧均等化回路には、Ｖ2とＩ0の積の電力損失が発生するが、Ｖ2は２〜３Ｖであり、Ｉ0は数Ａにしているので、発生電力は数Ｗ程度である。また、図１２において、キャパシタセルＣ1の電圧がＶ2に達すると、電圧均等化回路が作動して、電圧はＶ2に保たれる。更に充電を続けるとキャパシタセルＣ2も同様に電圧均等化回路の動作によってＶ2になり、キャパシタセルの電圧バラツキはほぼ零となり、直列キャパシタセル全部の充電電圧は同一のＶ2になる。
【００１５】このように、全キャパシタセルの電圧を同一に揃えた後、正規の負荷電力の放充電を行うと、放充電サイクル及び時間経過に伴いキャパシタ電圧のバラツキは拡大して行く、そこで適当な時間経過後または適当な放充電サイクル経過後に前述の均等充電を行って、キャパシタセル電圧のバラツキをほぼ零に補正する。このような使い方をすることで、本発明では、直列接続されたキャパシタセルが過電圧にさらされることがなくなり、長寿命なキャパシタ電池が実現される。
【００１６】すなわち、本発明は、直列接続された電気二重層キャパシタセルを小電力の外部電源によって充電し、各セルに接続したセル過電圧保護回路によってセル電圧を揃えることで十分な充放電サイクルが得られること、また、電気自動車には補機用の補助蓄電装置を備えていることに着目してなされたものである。具体的には、補助蓄電装置からＤＣ−ＤＣコンバータを介して、複数のブロックに分割された電気二重層キャパシタ電池毎にキャパシタセル全数を均一電圧に充電（以下これを全揃充電と称する）するようにしたものである。また、補助蓄電装置用のＤＣ−ＤＣコンバータと全揃充電用のＤＣ−ＤＣコンバータとを同一のＤＣ−ＤＣコンバータとしかつ双方向型としたものである。
【００１７】
【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。図１は本発明の第１の実施形態で、請求項１乃至３に相当する発明であり、自動車の補助蓄電装置を電源にしてキャパシタセルを全揃充電するシステムである。図１において、５はインバータであり、車両駆動電動機６を駆動する。７は補助蓄電装置８を充電するＤＣ−ＤＣコンバータであり、１３は電気二重層キャパシタ電池ブロック接続切替え回路である。
【００１８】１４，１５，１６はキャパシタ全揃充電用ＤＣ−ＤＣコンバ−タであり、補助蓄電装置８の電力を用いて、キャパシタ電池ブロック１０，１１，１２を充電する充電器である。このキャパシタ電池ブロック１０，１１，１２のそれぞれのキャパシタセルの直列接続数は互いに異なるので、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４，１５，１６の出力（キャパシタ側）電圧も互いに異なる。
【００１９】図２は図１のＤＣ−ＤＣコンバータ１４の回路構成例を示したものである。ＤＣ−ＤＣコンバータ１４は絶縁型チョッパであり、図１と同一構成要素は同一番号を付してある。図２において、１４０は半導体スイッチ、１４１，１４２，１４３，１４４，１４５はダイオード、１４６は変圧器、１４７は電流平滑リアクトル、１４８，１４９は電圧平滑コンデンサである。出力側（キャパシタ側）の電圧は変圧器１４６の巻数比を変えることで変える。この図示された絶縁型チョッパの動作は公知であるので、ここでは説明を省略する。また、図１のＤＣ−ＤＣコンバータ１５，１６もコンバータ１４と同様な構成であるので説明を省略する。
【００２０】図３は本発明の第２の実施形態であり、請求項４に相当する発明である。すなわち、図１の発明で示したＤＣ−ＤＣコンバータ１４，１５，１６の機能とＤＣ−ＤＣコンバータ７の両方の機能を持ったＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成例である。図３において、図１と同一の構成要素は同一番号を付してある。図３において、９は補助蓄電装置８により駆動される補機であり、１７，１８，１９は双方向動作型のＤＣ−ＤＣコンバータであり、キャパシタ電池ブロック１０，１１，１２から補助蓄電装置８への充電機能と補助蓄電装置８からキャパシタ電池ブロック１０，１１，１２ヘの充電機能を備えている。
【００２１】図４は図３のＤＣ−ＤＣコンバータ１７の回路構成例である。図４において、図３と同一構成要素には同一番号を付してある。図４において、１７０，１７１，１７２，１７３は半導体スイッチ、１７０ａ，１７１ａ，１７２ａ，１７３ａ，１７４，１７５はダイオードであり、１７０，１７１，１７２，１７３の半導体スイッチにはダイオード１７０ａ，１７１ａ，１７２ａ，１７３ａが図示のように逆並列接続されている。１７６は変圧器、１７７は電流平滑リアクトル、１７８，１７９は電圧平滑コンデンサである。
【００２２】次に、図４のＤＣ−ＤＣコンバータ１７の動作について説明する。補助蓄電装置８をキャパシタ電池ブロック１０から充電する場合は、半導体スイッチ１７０，１７１はオフし、１７２と１７３をスイッチングする。この場合の回路構成は図６に示した従来公知の２石式フォワード型と等価な回路となる。次に、補助蓄電装置８からキャパシタ電池１０を充電する場合は、半導体スイッチ１７２，１７３をオフし、１７０，１７１をスイッチングする。この場合の回路構成は図２と等価な回路となる。但し、半導体スイッチ１７１は図２のダイオード１４１と同じ動作をさせる。
【００２３】なお、図３におけるコンバータ１８，１９の回路構成は、図４のＤＣ−ＤＣコンバータ１７と同じであるのでその説明を省略する。また、図示しないが、キャパシタ電池ブロック１０，１１，１２のそれぞれのキャパシタセルには、図１３に示したようなセル過電圧保護回路（電圧均等化回路）が接続されており、充電の際に各セルの電圧が揃えられる。
【００２４】
【発明の効果】以上述べたように、本発明は電気自動車又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セルを直列接続したキャパシタ電池を複数のブロックに分割し、このブロックを双方向通電型スイッチで直列数を切替えるようにした電源システムにおいて、各電池ブロックのキャパシタセルを車載の補助蓄電装置からＤＣ−ＤＣコンバータを介してキャパシタセル電圧を常に均一に充電して使用するするように構成したことで、次の効果が得られる。
【００２５】（１）直列接続されたキャパシタセルが過電圧になることがないので、電池として安定に作動し、高い信頼性が得られる。
（２）電気自動車の主蓄電装置に電気二重層キャパシタ電池の適用を可能にしたことで電池が長寿命となり、実用的な電気自動車及びハイブリッド自動車が実現できる。
（３）ＤＣ−ＤＣコンバータはキャパシタ電池ブロックから補助蓄電装置を充電するようにして主電池から補助蓄電装置の充電を兼用したことで、キャパシタ電池の全揃充電電源には、走行に必要な機器の流用が可能となる。それにより、電源システムが低廉で実用的な電気自動車またはハイブリッド電気自動車が実現できる。
【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
【出願日】 平成１１年１２月２０日（１９９９．１２．２０）
【代理人】 【識別番号】１０００９１２８１
【弁理士】
【氏名又は名称】森田 雄一
【公開番号】 特開２００１−１７７９１４（Ｐ２００１−１７７９１４Ａ）
【公開日】 平成１３年６月２９日（２００１．６．２９）
【出願番号】 特願平１１−３６０１１１