複合２次電池回路および回生制御システム

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【発明の名称】	複合２次電池回路および回生制御システム
【発明者】	【氏名】大内二郎【氏名】服部正行
【要約】	【課題】回生エネルギが有効に活用でき、２次電池やコンデンサの破損が無く、２次電池寿命を伸ばすことができ、かつ低電圧でも高速運転可能な感電の危険のない低コストの制御を可能にし、２次電池の充電時間を短くできる。【解決手段】回生可能な負荷装置Ｂと、負荷装置Ｂからの電気エネルギーを蓄電する複合２次電池回路Ａとを備える。複合２次電池回路Ａは、２次電池１とコンデンサ２とが並列に接続され、双方向性のスイッチング素子３が２次電池１とコンデンサ２とを接続し、スイッチング素子３を駆動する充放電制御回路１０と、検出制御回路２０とを有して成る。検出制御回路２０は、２次電池１およびコンデンサ２の状態を検知し、その状態に応じた検知信号を電流指令Ｉc として充放電制御回路２０に出力し、スイッチング素子３を制御する。更に、複合２次電池と負荷装置との間には、双方向型昇降圧チョッパを設けた構成としている。

【特許請求の範囲】
【請求項１】２次電池と、前記２次電池と並列に接続されたコンデンサと、前記２次電池と前記コンデンサとを接続する双方向性のスイッチング素子と、前記スイッチング素子を制御する制御回路とを有し、前記制御回路は、前記２次電池および前記コンデンサの状態を検知し、その状態に応じた検知信号を電流指令として前記スイッチング素子を制御することを特徴とする複合２次電池回路。
【請求項２】２次電池と、前記２次電池と並列に接続されたコンデンサと、前記２次電池と前記コンデンサとを接続する双方向性のスイッチング素子と、前記スイッチング素子を駆動する充放電制御回路と、前記２次電池および前記コンデンサの電圧および電流を検知する検出制御回路とを有し、前記検出制御回路は、前記２次電池および前記コンデンサの状態を検知し、その状態に応じた検知信号を電流指令として前記充放電制御回路に出力し、前記スイッチング素子を制御することを特徴とする複合２次電池回路。
【請求項３】前記２次電池および前記コンデンサの状態に応じた検知信号は、前記２次電池および前記コンデンサの電流、電圧、温度または等価抵抗の信号であることを特徴とする請求項１または２記載の複合２次電池回路。
【請求項４】前記コンデンサは複数の電気２重層コンデンサから成ることを特徴とする請求項１，２または３記載の複合２次電池回路。
【請求項５】前記複数の電気２重層コンデンサはそれぞれに並列に電圧バランス回路を備えていることを特徴とする請求項４記載の複合２次電池回路。
【請求項６】前記２次電池の電圧は５０Ｖ以下であることを特徴とする請求項４または５記載の複合２次電池回路。
【請求項７】回生可能な負荷装置と、前記負荷装置からの電気エネルギーを蓄電する複合２次電池回路とを備え、前記複合２次電池回路は請求項１，２，３，４，５または６記載の複合２次電池回路から成ることを特徴とする回生制御システム。
【請求項８】前記負荷装置と前記複合２次電池回路との間に、双方向型昇降圧チョッパ回路が前記複合２次電池回路に入力端側を接続し、前記負荷装置に出力端側を接続して設けられていることを特徴とする請求項７記載の回生制御システム。
【請求項９】前記双方向型昇降圧チョッパ回路は、前記負荷装置の駆動時においては前記２次電池の電圧を昇圧または降圧して前記負荷装置を駆動し、前記負荷装置の回生時にはその負荷装置の逆起電力を昇圧または降圧して前記２次電池を充電することを特徴とする請求項８記載の回生制御システム。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気自動車の駆動モータなどの負荷装置から電気エネルギーを回収するための複合２次電池回路および回生制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年においては環境問題から、電気自動車やハイブリッド自動車を始めとした各種電動機器が開発導入されて来ている。このような電動機器は、従来の化石燃料を使用する内燃機関よりクリーンな電気エネルギーを使用する。このような電動機器において、エネルギーの有効活用の面から、電動機器からの回生エネルギーを可能な限り利用することが望まれるようになってきた。
【０００３】従来の回生制御システム５０を図８に示す。図８において、２次電池（バッテリ）５１により、モータ５２等の回生可能な負荷装置を制御する場合、電池の過充電を軽減するため、２次電池５１と並列にコンデンサ５３が接続される。充電器５４は、２次電池５１が放電した場合に、商用電源あるいは他の電源より充電する回路である。また、このコンデンサ５３は耐圧等の問題から複数個直列に使用されており、コンデンサの電圧バランスが問題となるような場合には、各コンデンサ５３と並列に電圧バランス回路５５などが設けられることもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述した従来の回生制御システム５０においては、２次電池５１で動作させる回生が可能な負荷、例えばモータ５２等を負荷とする電動機器において回生制御を行おうとした場合、頻繁に２次電池５１への大電流の充放電が行われるようになる。このため、２次電池５１の寿命が短くなるという問題があった。また、急激な回生電流の繰り返しにより、２次電池５１が過充電となり破損するような問題もあった。さらには、回生電流によってモータ５２から２次電池へ大電流の充電電流が流れ、急速な大電流による充電で２次電池５１の可逆化学反応が追随不能となり、ジュール熱等を発生して２次電池を破損に至らしめるという問題もあった。
【０００５】そこで、このような問題を回避するため、従来方式にあっては、２次電池５１に並列にコンデンサ５３を挿入する方法が取られる場合があったが、この場合についても基本的に上記の問題が無くなるわけではなく、過充電の場合には２次電池５１やコンデンサ５３が破損するという問題が発生していた。
【０００６】また、従来の制御回路５６等は、回生可能な制御回路の場合は、電圧変換は一方からの昇圧、あるいは降圧のいずれかのものしか存在しなかった。また、昇降圧の可能な制御回路の場合は、電流の方向がいづれか一方のみで回生の制御はできないものであった。
【０００７】このため、従来の制御回路で双方向の回生制御を行わせようとした場合には、複数の制御回路を用意して、モータの電流の方向を検知して、電流の方向に合わせて制御回路を切り替えるなどの、複雑な回路構成を必要とするもので、制御回路も高価となり、信頼性が悪くなるという欠点があった。このような、昇圧、降圧をおこなうことができ、かつ回生制御可能なように電流に双方向性を持たせる電力制御回路を単一の回路で実現した例としては、先願の特願２０００－８１０６８以外に存在しなかった。
【０００８】例えば、特開平１１－１２２７０９号公報に記載のように、回生が可能なハイブリッド方式を含めた電気自動車にあっては、回生が可能な双方向性の回路を採用するが、従来の回路では同時に昇降圧機能を持たせることが出来ないため、高速運転にするにはモータを高速回転さるため、２次電池電圧を高くするのがこれまでの一般的な方式であった。この場合には、それを駆動する２次電池５１を数百Ｖの高電圧にすることが必要になり、これに並列接続されるコンデンサも必然的に耐圧の高いものが必要となっていた（例えば、文献PE96-4「新しい物理電池ECS を応用したハイブリッド式電気自動車の基礎的な研究」）。
【０００９】ところが、このような電圧の高い制御回路は人体に感電の危険があるばかりでなく、耐圧の高いコンデンサは形状が大きなものとなり、小型化が出来ない、またコストが高くなり、さらには過充電の場合の破損が低電圧の場合よりも危険になるなどの問題があるものであった。特に、コンデンサとして最近は電気２重層コンデンサの採用が検討されるようになって来ているが、周知の通り、電気２重層コンデンサは大容量のものが出来る反面、耐圧が２～４Ｖ程度と低いものなので、このような高圧回路へ採用する場合には、耐圧を満足するように複数個のコンデンサを多数直列接続する必要があった。そのため、電圧の高い回路の場合には多数の電気２重層コンデンサが必要となるが、電気２重層コンデンンサは価格が高く、多数のコンデンンサを使用することでそれだけ高価な装置となるものであった。
【００１０】さらには、このような従来の回生方式の場合、たとえば、昇圧が可能な回路とした場合、モータからの電圧が２次電池電圧より高い場合のみにしかエネルギーが回生出来ず、有効なエネルギーの回生が行われない欠点があった。一方、降圧にのみよる回生方式の場合には、モータへの電圧が電池電圧より低くなり、高速運転はできないという問題があった。
【００１１】本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、入力側の電池電圧と負荷との関係がいかなる条件であっても回生エネルギを有効に活用でき、かつ低電圧でも高速運転可能な感電の危険のない制御を可能にし、２次電池やコンデンサの破損が無く、２次電池寿命を伸ばすことができ、さらに２次電池の充電時間をも短くできる低コストの複合２次電池回路、および回生制御システムを提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、請求項１の本発明に係る複合２次電池回路は、２次電池と、前記２次電池と並列に接続されたコンデンサと、前記２次電池と前記コンデンサとを接続する双方向性のスイッチング素子と、前記スイッチング素子を制御する制御回路とを有し、前記制御回路は、前記２次電池および前記コンデンサの状態を検知し、その状態に応じた検知信号を電流指令として前記スイッチング素子を制御することを特徴とする。上記構成によれば、大電流急速充電となるような回生時においても、２次電池の充電状態に応じた充放電電流の設定が可能になり、２次電池やコンデンサの破損を防止できる。
【００１３】請求項２の本発明に係る複合２次電池回路は、２次電池と、前記２次電池と並列に接続されたコンデンサと、前記２次電池と前記コンデンサとを接続する双方向性のスイッチング素子と、前記スイッチング素子を駆動する充放電制御回路と、前記２次電池および前記コンデンサの電圧および電流を検知する検出制御回路とを有し、前記検出制御回路は、前記２次電池および前記コンデンサの状態を検知し、その状態に応じた検知信号を電流指令として前記充放電制御回路に出力し、前記スイッチング素子を制御することを特徴とする。上記構成によれば、２次電池とコンデンサとの間に双方向スイッチング素子による充放電制御回路を設けることにより、大電流急速充電となるような回生時においても、２次電池の充電状態に応じた充放電電流の設定が可能になり、２次電池やコンデンサの破損を防止できる。
【００１４】請求項３の本発明に係る複合２次電池回路は、請求項１または２の複合２次電池回路において、前記２次電池および前記コンデンサの状態に応じた検知信号は、前記２次電池および前記コンデンサの電流、電圧、温度または等価抵抗の信号であることを特徴とする。上記構成によれば、双方向のスイッチング素子を制御する電流指令信号を２次電池およびコンデンサの各状態を検知して合成するようにしたので、最適な電流指令信号を得ることが可能となり、ジュール熱などによる２次電池の破壊を防止できる。
【００１５】請求項４の本発明に係る複合２次電池回路は、請求項１，２または３の複合２次電池回路において、前記コンデンサは複数の電気２重層コンデンサから成ることを特徴とする。上記構成によれば、容量の大きな電気２重層コンデンサを用いることにより、大電流急速充電が可能となり、従来例では８～１０時間を必要としていた充電時間を、例えば１０～３０分程度で充電可能となる。
【００１６】請求項５の本発明に係る複合２次電池回路は、請求項４の複合２次電池回路において、前記複数の電気２重層コンデンサはそれぞれに並列に電圧バランス回路を備えていることを特徴とする。上記構成によれば、電気２重層コンデンサのバラツキを均等にすることが可能となり、電気２重層コンデンサのバラツキによる破損を防止できる。
【００１７】請求項６の本発明に係る複合２次電池回路は、請求項４または５の複合２次電池回路において、前記２次電池の電圧は５０Ｖ以下であることを特徴とする。上記構成によれば、高価な電気２重層コンデンサの数を少なくすることが可能となり、低コストの制御システムを実現できるとともに、２次電池の電圧が低いので、感電する危険がなく安全性を高めることが可能となる。
【００１８】請求項７の本発明に係る回生制御システムは、回生可能な負荷装置と、前記負荷装置からの電気エネルギーを蓄電する複合２次電池回路とを備え、前記複合２次電池回路は請求項１，２，３，４，５または６の複合２次電池回路から成ることを特徴とする。上記構成によれば、大電流急速充電となるような回生時においても、２次電池の充電状態に応じた充放電電流の設定が可能になり、２次電池やコンデンサの破損がなく、負荷装置を回生することができる。
【００１９】請求項８の本発明に係る回生制御システムは、請求項７の回生制御システムにおいて、前記負荷装置と前記複合２次電池回路との間に、双方向型昇降圧チョッパ回路が前記複合２次電池回路に入力端側を接続し、前記負荷装置に出力端側を接続して設けられていることを特徴とする。双方向型昇降圧チョッパ回路には、先願である特願２０００―８１０６８に記載の「双方向型昇降圧チョッパ回路」を好適に用いることができる。上記構成によれば、双方向型昇降圧チョッパと複合２次電池回路とを組み合わせた構成としたことにより、モータの電圧が２次電池よりも低いような低速運転の場合や、高速運転で高い電圧を発生する場合の、両者いずれの場合でも双方向の昇降圧チョッパのため、回生を行うことができるので、回生エネルギを有効に活用することが可能となる。
【００２０】請求項９の本発明に係る回生制御システムは、請求項８の回生制御システムにおいて、前記双方向型昇降圧チョッパ回路は、前記負荷装置の駆動時においては前記２次電池の電圧を昇圧または降圧して前記負荷装置を駆動し、前記負荷装置の回生時にはその負荷装置の逆起電力を昇圧または降圧して前記２次電池を充電することを特徴とする。上記構成によれば、正逆転運転されるような電動車にあっても回生エネルギーを有効にすることが可能となり、エネルギー効率の高い装置を実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の第１および第２の実施の形態について説明する。図１～図３は、本発明の第１の実施の形態を示している。図１に示すように、回生制御システムが、回生可能な負荷装置Ｂと、負荷装置Ｂからの電気エネルギーを蓄電する複合２次電池回路Ａとから構成されている。回生制御システムには、さらに、複合２次電池回路Ａに充電するための充電器Ｃが備えられている。
【００２２】複合２次電池回路Ａは、２次電池１と、２次電池１と並列に接続されたコンデンサ２と、２次電池１とコンデンサ２との間に直列に接続された双方向性のスイッチング素子３と、スイッチング素子３を制御する充放電制御回路１０と、２次電池１およびコンデンサ２の電圧および電流を検出する検出制御回路２０とを有している。負荷装置Ｂは、例えば、ＤＣモータから成る。検出制御回路２０には、２次電池１の電流検出線４と、電圧検出線５と、コンデンサ２の電圧検出線６とが接続されている。
【００２３】複合２次電池回路Ａに使用される２次電池１は、一般的にはコストとの兼ね合いから鉛蓄電池が使用されるが、より高性能なリチウムイオン電池を使用してもよい。また、コンデンサ２は、可能な限り大容量のものが望ましく、電解コンデンサや、後述する電気２重層コンデンサが使用される。
【００２４】双方向性のスイッチング素子３は、図２（ａ）に示すように、２個のトランジスタで構成してもよいし、図２（ｂ）に示すように、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ、あるいはＩＧＢＴ絶縁ゲートバイポーラトランジスタでも良い）とダイオードとで構成してもよい。また図２（ｃ）に示すように、ＩＧＢＴを直列にした回路でも良い。
【００２５】充放電制御回路１０は、検出制御回路２０からの電流指令信号Ｉc によりスイッチング素子３に駆動信号を発生するもので、図３に示すように、例えば、オペアンプ１１と、三角波発生器１２と、ナンドゲート１３と、ドライバ１４とにより構成されている。充放電制御回路１０は、電流指令信号Ｉc をオペアンプ１１で必要レベルに増幅し、三角波発生器１２によりＰＷＭ（パルスウィドゥスモジュレーション;Pulse Width Modulation）波とし、ＰＷＭ制御を行うものである。充放電制御回路１０は、三角波発生器１２の出力をナンドゲート１３でオン／オフ制御を行い、その出力信号でドライバ１４によりスイッチング素子３を駆動するようになっている。
【００２６】充放電制御回路１０に電流指令信号Ｉc を出力する検出制御回路２０は、図３に示すように、例えば、ＣＰＵ２１がそれぞれ入力インターフェース２２と出力インターフェース２３を備えて成っている。入力インターフェース２２は、電流検出用コンパレータ２４、電池電圧検出用コンパレータ２５およびコンデンサ電圧検出用コンパレータ２６と接続されている。電流検出用コンパレータ２４、電池電圧検出用コンパレータ２５およびコンデンサ電圧検出用コンパレータ２６には、それぞれの状態の検知信号としての電流、電圧を検出するために、それぞれ電流検出線４、電圧検出線５，６が接続されており、電流検出線４には電流を検出するための検出コイル４ａやセンス抵抗４ｂ等が使用される。さらに、２次電池１やコンデンサ２にサーミスタ等の温度センサを取り付け、２次電池１やコンデンサ２の温度を電流に変換して検出することも可能である。以上の構成において、充放電制御回路１０内のＰＷＭ制御は、検出制御回路２０内のＣＰＵで行わせることも可能であり、そのような構成であっても良い。
【００２７】検出制御回路２０は、電流検出用コンパレータ２４、電池電圧検出用コンパレータ２５およびコンデンサ電圧検出用コンパレータ２６で検出した各部の電流、電圧をＣＰＵ２１が判断し、スイッチング素子３の制御を行うための電流指令信号Ｉc を、出力インターフェース２３を介して信号線７により充放電制御回路１０に出力する。検出制御回路２０は、必要に応じて、スイッチング素子３の駆動を停止することができるように、オン／オフ制御機能を備えており、オン／オフ制御は、出力インターフェース２３を介して充放電制御回路１０のナンドゲート１３へ信号線８により直接入力するようになっている。さらに、検出制御回路２０は、出力インターフェース２３を介して信号線９によりＳＷ回路に接続されており、図示しないソレノイド等により、ＳＷ１，ＳＷ２をオン／オフすることができるようになっている。
【００２８】次に、上述のように構成された複合２次電池回路Ａの動作を図１～図３を参照して説明する。まず、初期状態においては、２次電池１とコンデンサ２とは完全に放電された状態なので、電圧検出線５，６を通じてこの状態が検出制御回路２０で判断され、信号線９を経由してＳＷ回路のＳＷ１がオンに、ＳＷ２はオフとなり、充電器Ｃより複合２次電池回路Ａに充電電流が流れるようになる。これと同時に、検出制御回路２０から充放電制御回路１０へ電流指令Ｉc が出力され、検出制御回路２０からスイッチング素子３へ駆動電流が流れてスイッチング素子３がオン状態となり、２次電池１の充電が開始される。この場合に、電流検出線４により２次電池１へ流れる充電電流が検出され、その値は最適になるように制御される。
【００２９】次いで、２次電池１とコンデンサ２が満充電になると、電圧検出線５，６を通じてこの状態が検出制御回路２０で判断され、信号線９を経由してＳＷ回路のＳＷ１がオフとなり充電が停止される。次に、ＳＷ２がオンされて、複合２次電池回路Ａから負荷装置Ｂへの電力供給が行われる。回生動作が全くない場合には、当初の負荷装置Ｂへの電力供給はコンデンサ２の放電よって行われ、コンデンサ２の放電後は２次電池１からのエネルギーがなくなるまで行われる。２次電池１からの放電は、スイッチング素子３を介して行われるので、図３（ａ）のスイッチング素子３を使用している場合には一方のＦＥＴを通して行われ、図３（ｂ）のスイッチング素子３を使用している場合にはダイオードを通して行われる。
【００３０】回生エネルギーが発生している場合には、負荷装置Ｂより複合２次電池回路Ａへ電流が流れるが、電圧検出線５，６で２次電池１とコンデンサ２の電圧が検出されるので、コンデンサ２の電圧が２次電池１の電圧より高く、しかもコンデンサ２の電圧が規定値より低い場合には、検出制御回路２０より充放電制御回路１０へオフ信号が出され、スイッチング素子３をオフにして、コンデンサ２に優先的に充電するようにする。この回生動作中に非回生動作となった場合には、スイッチング素子３の電圧降下により、コンデンサ２からのエネルギーが優先的に供給され、非回生動作を行う。このように、複合２次電池回路Ａでは、コンデンサ２の充放電が繰り返し行われ、２次電池１の充放電回数が少なくなるように作用する。
【００３１】負荷装置Ｂの回生エネルギーによりコンデンサ２が満充電までに充電されると、検出制御回路２０は、電圧検出線６を介してコンデンサ２の電圧が規定値より高くなったことを検知し、２次電池１の電圧が規定値よりより低い場合には、電流指令Ｉc を充放電制御回路１０に出力し、スイッチング素子３をオンにして回生エネルギーで２次電池１を充電するようにする。さらに、２次電池１とコンデンサ２の電圧が規定値より高くなるような回生エネルギーが発生した場合には、充放電制御回路１０が図示しない表示部に表示し、操作者が余分な回生エネルギーを発生させないように注意を促す。
【００３２】上述したように、本発明の回生制御システムの複合２次電池回路Ａでは、２次電池１とコンデンサ２との間に双方向スイッチング素子３を設け、電流指令信号Ｉc により、スイッチング素子を２次電池の充電状態に応じて充放電電流を制御するように動作させる構成となっている。このため、過大な回生電流があっても、２次電池を破損させないように動作させることができる。
【００３３】次に本発明の第２の実施の形態について説明する。図４～図７は、本発明の第２の実施の形態を示している。図４に示すように、回生制御システムが、上述した第１の実施の形態の回生制御システムにおける複合２次電池回路Ａと負荷装置Ｂとの間に双方向型昇降圧チョッパＤを設けて成っている。回生制御システムは、さらに、双方向型昇降圧チョッパＤと複数の電気２重層コンデンサ等によるコンデンサＣ0 とを有している。図４～図６において、複合２次電池回路Ａ、負荷装置Ｂ、充電器Ｃなど、第１の実施の形態の回生制御システムと同一の部材には、同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００３４】図５は、双方向型昇降圧チョッパを示すもので、複合２次電池回路Ａに入力端側を接続するとともに出力端側を負荷装置Ｂに接続して成る。双方向型昇降圧チョッパ回路は、スイッチング素子とダイオードを並列に接続した複数のスイッチング回路と、スイッチング回路を２個接続したカスコード回路とを有する。双方向型昇降圧チョッパ回路は、負荷装置Ｂの駆動時においては複合２次電池回路Ａの電圧を昇圧または降圧して負荷装置Ｂを駆動し、負荷装置Ｂの回生時には負荷装置Ｂの逆起電力を昇圧または降圧して複合２次電池回路Ａを充電するようになっている。
【００３５】図５（ａ）に示す構成では、第１のスイッチング回路Ｓ１と第２のスイッチング回路Ｓ２とを縦続接続して第１のカスコード回路となし、第３のスイッチング回路Ｓ３と第４のスイッチング回路Ｓ４とを縦続接続して第２のカスコード回路となし、第１のカスコード回路と第２のカスコード回路との中点をインダクタＬを介して接続し、第１のカスコード回路のコレクタを入力端とし、第２のカスコード回路のコレクタを出力端とし、入力端側と出力端側にはそれぞれコンデンサＣ1,Ｃ2 が接続されている。コンデンサＣ1,Ｃ2 は、複合２次電池回路Ａおよび負荷装置Ｂと並列に接続される。そして、これらのスイッチング回路Ｓ１～Ｓ４のタイミングを制御回路Ｈで制御するように構成されている。
【００３６】このように構成された双方向型昇降圧チョッパＤ１は、複合２次電池回路Ａの２次電池１から負荷装置Ｂ、および負荷装置Ｂから２次電池１への双方向の昇圧、降圧が可能なチョッパ回路となっている。双方向性昇降圧チョッパＤ１は、通常はコンデンサＣ1,Ｃ2 に蓄えられた電力によって双方向型昇降圧チョッパ回路が動作して、回生可能な負荷装置Ｂを制御するように動作し、コンデンサＣ1,Ｃ2 の電力が少なくなった場合には、各部の必要な電流電圧を検知し整合された電流指令信号Ｉc により、２次電池１からの電力が供給されるように複合２次電池回路Ａが動作する。
【００３７】モータが高速運転から制動がかけられた場合には、双方向型昇降圧チョッパＤ１は双方向性のため、そのまま優先的にコンデンサＣ1,Ｃ2 に回生エネルギーとなって充電されるが、コンデンサＣ1,Ｃ2 の容量を越える回生エネルギーが発生した場合には、複合２次電池回路Ａの電流指令Ｉc により２次電池１の充電が行われるよう動作する。この場合、チョッパ回路は双方向性の昇降圧が可能なため、負荷装置Ｂのモータ電圧が２次電池１の電圧よりも低い条件で制動が必要になった場合でも、回生エネルギーがコンデンサと電池側に有効に回生される。
【００３８】図５（ｂ）に示す双方向型昇降圧チョッパＤ２は、第１のスイッチング回路Ｓ１と第２のスイッチング回路Ｓ２とを縦続接続して第１のカスコード回路となし、第３のスイッチング回路Ｓ３と第４のスイッチング回路Ｓ４とを縦続接続して第２のカスコード回路となし、第５のスイッチング回路Ｓ５と第６のスイッチング回路Ｓ６とを縦続接続して第３のカスコード回路となし、第１のカスコード回路と第２のカスコード回路および第３のカスコード回路とを並列に接続し、第１のカスコード回路の中点を第１のインダクタＬ１を介して入力側と接続し、第１のカスコード回路と第２のカスコード回路との間にコンデンサＣ２を並列に接続し、第２のカスコード回路の中点と第３のカスコード回路の中点との間を、第２のインダクタＬ２に直列に接続された負荷装置Ｂを介して接続したものである。負荷装置Ｂは、例えば、ＤＣモータから成る。
【００３９】このように構成された双方向型昇降圧チョッパＤ２は、双方向型昇降圧チョッパＤ１と同様に、通常はコンデンサに蓄えられた電力によって双方向型昇降圧チョッパ回路が動作し、回生可能な負荷装置Ｂを制御するように動作する。コンデンサの電力が少なくなった場合には、双方向型昇降圧チョッパＤ２は、各部の必要な電流電圧を検知して整合された電流指令信号Ｉc により、２次電池１からの電力が供給されるように複合２次電池回路Ａが動作する。さらに、双方向性昇降圧チョッパＤ２は、負荷装置ＢのＤＣモータが逆転時も回生エネルギーを回収できる。
【００４０】この回生制御システムにおいては、容量の大きい電気２重層コンデンサを複数個使用しており、双方向型昇降圧チョッパーＤと組み合わせているので、単一の制御回路で回生が可能な上に昇降圧ができ、２次電池の電圧が低くとも、低速から高速までの運転が可能となる。この回生制御システムによる実験では、２次電池電圧を４８Ｖ以下とした場合でも、双方向型昇降圧チョッパによって約１０倍程度の昇圧が可能で、このため通常の電動カーに必要とされる時速６０ｋｍ／ｈ以上の高速運転が可能なことが確認された。従って、この回生制御システムにおいては、電池電圧を５０Ｖ以下とし、高価な電気２重層コンデンサ等の数が少なくて済む構成とすることが出来る。
【００４１】さらに、複数の電気２重層コンデンサＣ0 は、図６に示すように、必要に応じて電圧バランス回路（電流分流回路）を設けるようにしている。電圧バランス回路には、従来例と同様の電圧バランス回路を用いても良い。電圧バランス回路としては、図６（ａ）に示すように、各コンデンサＣ01, Ｃ02, Ｃ03，…に抵抗Ｒ1,Ｒ2,Ｒ3,…を並列接続するだけのものでもよい。また、図６（ｂ）に示すように、抵抗の代わりにツェナーダイオードＺＤを使用してもよい。電圧バランス回路は、ツェナーダイオードＺＤによりコンデンサの電圧がより均等に分圧される。さらに、図６（ｃ）に示すように、トランジスタＴＲとツェナーダイオードＺＤとを組み合わせた定電圧回路を用いてもよい。この場合の電圧バランス回路は、電圧が均等に分圧されるとともに、温度特性に優れ、電流容量も大きいものに出来る。
【００４２】また、本実施例の回生制御システムのさらなる特長としては、２次電池、及びコンデンサの充電エネルギを最大有効に活用出来る点にある。図７は２次電池、コンデンサの定性的な放電特性である。図７からわかるように、２次電池の場合、その定格を保持出来る時間まではコンデンサに比べて良い定電圧特性を示すが、その時間を過ぎると、急激に電圧は低下する。一方、コンデンサの場合は定電圧特性は２次電池に比べて良くないが、コンデンサを大容量のものにすることで、２次電池が放電した後の時間帯でも、充電エネルギを保持させておくことが出来る。
【００４３】２次電池の場合、定格電圧から大きく下がるような電圧範囲で使用することは２次電池の寿命を著しく短くする。このため、図８の従来例のような２次電池とコンデンサが直接接続されているような場合には、図７のＡで示したように、電圧が下がり過ぎない範囲で使用せざるを得ないものであった。
【００４４】本実施例では、２次電池とコンデンサの間にスイッチング素子３を入れて、互いの動作を分離させ得るようにし、その後段には、双方向性の昇降圧チョッパを設けているので、２次電圧が好ましくない電圧まで低下した場合、スイッチング素子を制御することで、２次電池とコンデンサを切り離し、コンデンサのエネルギーをさらにそれ以下の電圧まで使用するような図７中、Ｂの範囲まで動作させる。この場合、コンデンサはエネルギがほとんどなくなるまで放電させても寿命には全く影響しないため、昇降圧チョッパで制御可能な範囲まで、そのエネルギを利用出来る。このことは同様に図７のＢに示したように、コンデンサの充電電圧が高い場合にも、昇降圧チョッパでコンデンサの電圧を所望の電圧まで降圧させるように制御することも出来る。
【００４５】このため、本実施例では、図７のＢに示したような充電エネルギを従来方式より大きな範囲で活用出来る特長を有する。この範囲はコンデンサの容量を大きくするほど大となる。また、このような広範囲の制御が必要ない場合には、ＳＷ素子３を常時オンとするか、あるいは素子３そのものを無くした構成としても良い。
【００４６】
【発明の効果】本発明に係る複合２次電池回路および回生制御システムによれば、回生エネルギが有効に活用でき、２次電池やコンデンサの破損が無く、２次電池寿命を伸ばすことができ、かつ低電圧でも高速運転可能な感電の危険のない低コストの制御を可能にし、さらに２次電池の充電時間をも短くできる。また、本発明によれば、従来の２次電池の放電深度によって制限されていた電圧範囲よりも広い範囲での制御が可能で、コンデンサの充電エネルギを最大限に活用出来る特長を有する。

【出願人】	【識別番号】５００１２７５６４【氏名又は名称】服部正行【識別番号】０００２２１９３７【氏名又は名称】東北リコー株式会社
【出願日】	平成１３年３月２１日（２００１．３．２１）
【代理人】	【識別番号】１０００９５３５９【弁理士】【氏名又は名称】須田篤
【公開番号】	特開２００２－２８１６０９（Ｐ２００２－２８１６０９Ａ）
【公開日】	平成１４年９月２７日（２００２．９．２７）
【出願番号】	特願２００１－８１６１３（Ｐ２００１－８１６１３）