| 【発明の名称】 |
ハイブリッド電源システム |
| 【発明者】 |
【氏名】遠藤 貴義
【住所又は居所】神奈川県平塚市万田１２００ 株式会社小松製作所研究所内
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| 【要約】 |
【課題】キャパシタのようなパワー型電源デバイスを有効に活用することができ、蓄電池のようなエネルギー型電源デバイスの負担を平坦化でき、しかも、効率も高いハイブリッド電源システムを提供する。
【解決手段】負荷３０と接続される系統電圧ライン２６、２７に、キャパシタ２１が接続され、これと並列に、大容量の蓄電池２２と電圧コントローラ２３の出力端子との直列接続体が接続される。蓄電池２２の電圧Ｖｂはほぼ一定である。電圧コントローラ２３は例えばＤＣ/ＤＣコンバータであり、その出力電圧Ｖｖが可変である。システムコントローラ２５が、電圧コントローラ２３の出力電圧Ｖｖを変化させることで、系統電圧Ｖｓを変化させる。負荷３０に大電力を供給すべきときは、系統電圧Ｖｓを低下させることで、キャパシタ２１からエネルギーを急速に放出させて負荷３０へ供給する。負荷３０から大電力を戻すべきときは、系統電圧Ｖｓを上昇させることで、負荷３０からエネルギーを急速にキャパシタ２１に吸収させる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 負荷（３０）に接続されることになる系統電圧ライン（２６、２７）と、前記系統電圧ラインに接続されたエネルギー型電源デバイス（２２）と、前記系統電圧ラインに接続されたパワー型電源デバイス（２１）と、前記系統電圧ラインの電圧（Ｖｓ）を変化させて前記パワー型電源デバイスの電圧を変化させ、それにより、前記パワー型電源デバイスから前記系統電圧ラインへ電力を出力し及びその逆へ電力を吸収することを可能にする系統電圧コントロール手段（２３、２５）とを備えたハイブリッド電源システム。
【請求項２】 前記系統電圧コントロール手段（２３、２５）が、前記負荷（３０）が必要とする電力に応じて前記系統電圧（Ｖｓ）を変化させる請求項１記載のハイブリッド電源システム。
【請求項３】 前記系統電圧コントロール手段（２３、２５）が、前記負荷（３０）に電力を供給すべきときには前記系統電圧（Ｖｓ）を低下させ、前記負荷（３０）から電力を戻すべきときには、前記系統電圧（Ｖｓ）を上昇させる請求項１記載のハイブリッド電源システム。
【請求項４】 前記系統電圧コントロール手段（２３、２５）が、出力電圧が可変である電圧コントローラ（２３）を有し、前記電圧コントローラ（２３）の出力端子が前記エネルギー型電源デバイス（２２）と直列接続され、前記エネルギー型電源デバイス（２２）と前記電圧コントローラ（２３）の出力端子との直列接続体が、前記パワー型電源デバイス（２１）と並列の関係で、前記系統電圧ラインに接続されている請求項１記載のハイブリッド電源システム。
【請求項５】 前記電圧コントローラ（２３）の入力端子に電力を供給するために、前記エネルギー型電源デバイス（２２）とは別に設けられたエネルギー型の追加の電源デバイス（５１）と、前記エネルギー型電源デバイス（２２）の電力供給能力の不良を検出する電源不良検出器（５２）とを更に備え、前記系統電圧コントロール手段（２３、２５）が、前記電源不良検出器（５２）により前記不良が検出されると、不良な前記エネルギー型電源デバイス（２２）を実質的に使わないようにして、前記追加の電源デバイス（５１）からの電力で動作する前記電圧コントローラ（２３）の出力電圧を、実質的に直接に前記系統電圧ラインに加えるように動作する、請求項４記載のハイブリッド電源システム。
【請求項６】 前記系統電圧コントロール手段（２３、２５）が、前記系統電圧ライン（２６、２７）に互いに並列に接続された複数の電源モジュール（７０、７０）を有し、各電源モジュール（７０）は、前記エネルギー型電源デバイス（２２）と前記電圧コントローラ（７２）の出力端子との直列接続体から構成される請求項４記載のハイブリッド電源システム。
【請求項７】 前記系統電圧コントロール手段（２３、２５）が、前記系統電圧ライン（２６、２７）に接続された複数のエネルギー型電源デバイス（６１、６３）と、前記複数のエネルギー型電源デバイス（６１、６２）同士を選択的に直列接続又は並列接続するスイッチ（６３、６４）とを有し、前記複数のエネルギー型電源デバイス（６１、６２）同士を直列接続するか並列接続するかによって前記系統電圧（Ｖｓ）を変化させる請求項１記載のハイブリッド電源システム。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、例えば電気自動車や電気建設車両などの駆動用電源装置などとして好適なハイブリッド電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】電気自動車などの動力源たる三相交流モータにインバータ（直交変換器）を介して直流電力を供給する電源システムとして、特性の異なる少なくとも２タイプの電源デバイスを組み合わせたハイブリッド式のものが知られている。ここで使用される一方のタイプの電源デバイスは、安定して長時間にわたり電力を供給できる大きいエネルギー量をもった、この明細書で「エネルギー型」と呼ぶ電源デバイスである。他方は、加減速時などの負荷の急変に即応して大パワーを供給及び吸収できる、この明細書で「パワー型」と呼ぶ電源デバイスである。エネルギー型デバイスには、例えば、大容量の蓄電池や燃料電池やエンジン駆動発電機などがあり、パワー型デバイスには、例えば、キャパシタやハイブリッド用電池などがある。
【０００３】ハイブリッド電源システムでは、加減速時などの負荷変動にパワー型デバイスで即応することにより、エネルギー型デバイスの負担を平坦化するように、エネルギー型とパワー型のデバイスが組み合わせられる。図１〜図３は、従来知られているハイブリッド電源システムの代表的な３種類の構成を示す。
【０００４】図１に示すハイブリッド電源システム１は、最も原始的な構成をもつもので、そこでは、エネルギー型の典型である蓄電池２と、パワー方の典型例であるキャパシタ３が単純に並列接続されている。蓄電池２からのほぼ一定の電圧がインバータ４に出力される。
【０００５】この原始的なハイブリッド電源システム１では、蓄電池２の電圧がそのままキャパシタ３に加わる。ここで、蓄電池２の電圧の変動幅は小さい。そのため、その小さい電圧変動幅に対応する少ないエネルギー量しか、キャパシタ３からインバータ４へ供給することができない。つまり、キャパシタ３に蓄えられたエネルギー量を有効に活用できない。
【０００６】図２に示す２番目のタイプのハイブリッド電源システム６では、蓄電池６が電流源タイプのＤＣ/ＤＣコンバータ７の入力に接続され、ＤＣ/ＤＣコンバータ７の出力がキャパシタ８に並列接続される。インバータ４へのエネルギー供給はキャパシタ８から行い、キャパシタ８へのエネルギー供給を、電流源タイプのＤＣ/ＤＣコンバータ７を介して電池６から行う。インバータ４への出力電圧はほぼ一定に制御される。
【０００７】この２番目のタイプのハイブリッド電源システム４では、蓄電池５の電圧の選択の自由度が大きいという利点がある。しかし、蓄電池６での電圧変動幅が小さいから、キャパシタ８に蓄積されたエネルギーを有効活用できないという問題は依然としてある。また、インバータ４と同じ電力容量をもったＤＣ/ＤＣコンバータ６が必要であるから、ＤＣ/ＤＣコンバータ６のサイズが大きく、そのコストも高い。加えて、その大電力容量のＤＣ/ＤＣコンバータ６での電力消費分だけ効率が落ちる。
【０００８】図３に示す３番目のタイプのハイブリッド電源システム９では、キャパシタ１０がＤＣ/ＤＣコンバータ１１の入力に接続され、ＤＣ/ＤＣコンバータ１１の出力が蓄電池１２に並列接続される。インバータ４へのエネルギー供給は蓄電池１２から行い、急峻なエネルギー供給や回生はＤＣ/ＤＣコンバータ１１を通じてキャパシタ１０から行う。インバータ４への出力電圧はほぼ一定である。
【０００９】この３番目のタイプのハイブリッド電源システム９では、キャパシタ１０の電圧が大きく変えられるので、キャパシタ１０の蓄積エネルギーを有効に活用できるメリットがある。しかし、インバータ４と同じ電力容量をもったＤＣ/ＤＣコンバータ１１が必要であるから、ＤＣ/ＤＣコンバータ１１のサイズが大きく、コストも高い。加えて、その大電力容量のＤＣ/ＤＣコンバータ１１の電力消費分だけ効率が落ちる。また、ＤＣ/ＤＣコンバータ１１での電力変換の時間遅れのために、キャパシタ１０から大電流の放出や吸収の開始が遅れてしまう。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記に鑑みなされたものであり、その目的は、キャパシタのようなパワー型電源デバイスを有効に活用することができ、蓄電池のようなエネルギー型電源デバイスの負担を平坦化でき、しかも、効率も高いハイブリッド電源システムを提供することにある。
【００１１】本発明の別の目的は、ハイブリッド電源システムにおいて、負荷側のインバータの入力範囲内でそのインバータへの入力電圧を制御するために必要となるＤＣ／ＤＣコンバータのような電力変換器の電力容量を、より小さくすることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の一つの態様に従うハイブリッド電源システムは、負荷に接続されることになる系統電圧ラインと、その系統電圧ラインに接続されたエネルギー型電源デバイスと、系統電圧ラインに接続されたパワー型電源デバイスと、系統電圧ラインの電圧を変化させてパワー型電源デバイスの電圧を変化させ、それにより、パワー型電源デバイスから系統電圧ラインへ電力を出力し及びその逆へ電力を吸収することを可能にする系統電圧コントロール手段とを備える。
【００１３】好適な実施形態では、系統電圧コントロール手段が、負荷が必要とする電力に応じて系統電圧を変化させる。例えば、負荷に電力を供給すべきときには系統電圧を低下させ、また、負荷から電力を戻すべきときには系統電圧を上昇させる。
【００１４】好適な実施形態では、系統電圧コントロール手段が、出力電圧が可変である電圧コントローラを有し、この電圧コントローラの出力端子がエネルギー型電源デバイスと直列接続されており、その直列接続体がパワー型電源デバイスと並列の関係で系統電圧ラインに接続されている。
【００１５】上記電圧コントローラには、エネルギー型電源デバイスから電力供給を受けて動作する入出力間絶縁型の電圧コンバータを用いることができる。或るいは、上記電圧コントローラには、エネルギー型電源デバイスとは別に設けられたエネルギー型の追加の電源デバイスから電力供給を受けて動作する入出力間非絶縁型又は絶縁型のコンバータを用いることもできる。後者のコンバータを用いた好適な実施形態では、上記エネルギー型電源デバイスの電力供給能力の不良（例えば、故障や蓄電量不足）を検出する電源不良検出器があり、それがエネルギー型電源デバイスの電力供給能力不良を検出すると、その不良になったエネルギー型電源デバイスは実質的に使わずに、上記追加の電源デバイスからの電力で動作する電圧コントローラの出力電圧を、実質的に直接に、系統電圧ラインに加えるようになっている。これにより、エネルギー型電源デバイスで故障や蓄電量不足が生じても、追加の電源デバイスからの電力で運転を継続することができる。
【００１６】上記直列接続体を一つのモジュールに構成し、そして、複数個のそのようなモジュールを系統電圧ラインに互いに並列に接続することもできる。モジュールの個数を選択することで、ハイブリッド電源システムのトータルの電流容量を所望の値にすることができる。
【００１７】系統電圧コントロール手段の別の構成例として、複数のエネルギー型電源デバイス同士を選択的に直列接続又は並列接続できるようにしたものを採用することもできる。
【００１８】因みに、従来、車両用電源やその他の各種電気回路において、キャパシタは、電源電圧を平滑化する目的で使用されている。従来のハイブリッド電源でも、同様の目的でキャパシタが使用されており、電源電圧(系統電圧)をほぼ一定か又は狭い電圧範囲内に制御されるようになっている。これに対して、本発明は、系統電圧を積極的に変動させることにより、キャパシタのようなパワー型電源デバイスに大きな充放電を行わせ、それにより、電池のようなエネルギー型電源デバイスとキャパシタのようなパワー型電源デバイスの負荷分担を最適化するという、新しい原理に従うものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】図４は、本発明の一実施形態にかかるハイブリッド電源システム２０の構成を示す。
【００２０】このハイブリッド電源システム２０は、例えば、電動自動車や電動建設車両などの動力源である三相交流モータ４０に対して、インバータ（直交変換器）３０を介して、直流電力を供給するために用いられる。
【００２１】図４に示すように、このハイブリッド電源システム２０では、エネルギー型電源デバイスの典型例である大容量の蓄電池２２と、電圧コントローラ２３の出力端子とが、直列接続されて系統電圧ライン２６，２７間に接続されている。さらに、パワー型電源デバイスの典型例であるキャパシタ２１が、上述した蓄電池２２と電圧コントローラ２３の直列接続体に対して並列の関係で、系統電圧ライン２６，２７間に接続されている。系統電圧ライン２６，２７は、インバータ３０の入力端子に接続される。
【００２２】インバータ３０は、以下に説明するような系統電圧Ｖｓの可変範囲を包含する広い入力電圧範囲をもち、入力電圧が前記範囲内のどの値であってもモータ４０に対しては所望の電圧と電流を提供できるタイプの直交変換回路である。
【００２３】電圧コントローラ２３は、その出力電圧が所定の可変範囲内で任意に制御できるように構成された、例えばＤＣ/ＤＣコンバータである（その入力端子は図１では図示省略してある）。この電圧コントローラ２３の出力電圧は、システムコントローラ２５から電圧コントローラ２３に加わる制御信号２８によって制御される。システムコントローラ２５は、電系統電圧ライン２６，２７間に現れる系統電圧（つまり、この電源システム２０の出力電圧）Ｖｓ及びこの電源システム２０の出力電流Ｉｏを検出する電圧・電流検出器２４からの電圧・電流検出信号２９、並びに図示しない外部回路から入力される負荷（インバータ３０及びモータ４０）の運転状態を表す運転信号（例えば、モータが運転か停止か、モータが力行運転か回生運転か、インバータが必要とする電力Ｐの大きさなどを表す信号）を入力し、これらの入力信号に基づいて、電圧コントローラ２３の出力電圧を制御する。
【００２４】このような構成において、系統電圧（出力電圧）Ｖｓは、蓄電池２２の出力電圧Ｖｂと電圧コントローラ２３の出力電圧Ｖｖとを加算した電圧となる。蓄電池２２の出力電圧Ｖｂはほぼ一定であるが、電圧コントローラ２３の出力電圧Ｖｖは任意に可変できる。よって、電圧コントローラ２３の出力電圧Ｖｖの可変幅と実質的に等しい可変幅で、系統電圧Ｖｓも可変である。この可変の系統電圧（出力電圧）Ｖｓは、キャパシタ２１の両端電圧でもある。従って、キャパシタ２１は、系統電圧Ｖｓの可変幅に対応した量のエネルギーをインバータ３０へ放出及びインバータ３０から吸収することができる。
【００２５】簡単な数値例を用いて説明する。蓄電池２２の出力電圧Ｖｂが例えば２００[Ｖ]でほぼ固定であると仮定する。また、電圧コントローラ２３の出力電圧Ｖｖが例えば０[Ｖ]から２００[Ｖ]の範囲内で可変であると仮定する。よって、系統電圧Ｖｓは２００[Ｖ]から４００[Ｖ]の範囲で可変である。従って、キャパシタ２１に蓄積できる最大のエネルギーＱmaxと、電圧コントローラ２３の電圧制御によってキャパシタ２１が放出及び吸収可能なエネルギーＱｃは、キャパシタ２１の静電容量をＣとすると、Ｑmax＝１/２×Ｃ×４００２Ｑｃ＝１/２×Ｃ×（４００２−２００２）
となる。従って、この簡単な例の場合、キャパシタ２１から放出させたり吸収させたりして利用できるエネルギーＱｃは、キャパシタ２１に蓄積可能な最大エネルギーＱmaxの７５％に達する。
【００２６】上記の例から分かるように(実際はこれほど単純ではないが)、図４に示したハイブリッド電源システム２０によれば、キャパシタ２１の使用効率が非常に高いという利点が得られる。
【００２７】この利点を生かして、例えば、次のように電圧コントローラ２３の電圧制御を行うことができる。すなわち、モータ３０の力行時にモータ３０に大電力を供給する必要があるときには、電圧コントローラ２３の電圧Vｖを下げる。これにより、系統電圧（キャパシタ２１の電圧）Ｖｓが下がり、その電圧低下によりキャパシタ２１内で余剰となったエネルギーＱｃがキャパシタ２１から放出されインバータ３０に供給される。また、モータ３０の回生時にモータ３０から大電力を戻す必要があるときには、電圧コントローラ２３の電圧Vｖを上げる。これにより、系統電圧（キャパシタ２１の電圧）Ｖｓが上がり、その電圧上昇によりキャパシタ２１内で不足となったエネルギーＱｃがインバータ３０からキャパシタ２１へ戻される。
【００２８】このように、インバータ３０が必要とする電力の大きさに応じて、系統電圧（キャパシタ２１の電圧）Ｖｓを増減させることにより、キャパシタ２１の電流Ｉｃを大幅に変化させて、大電力をキャパシタ２１からインバータ３０へ供給したり逆に戻したりすることができる。それにより、蓄電池２２の出力電流Ｉｂ（出力電力）は、大きく変動せずに済み、蓄電池２２の負担は平坦化され、理想的にはインバータが必要とする激しく変動する負荷の平均値を出力することになる。
【００２９】また、図４に示したハイブリッド電源システム２０によれば、キャパシタ２１がＤＣ/ＤＣコンバータを介さずにインバータ３０に接続されるので、図３に示した従来のシステム９のようなＤＣ/ＤＣコンバータの介在による応答の遅れという問題はない。さらに、系統電圧Ｖｓは蓄電池２２の電圧Ｖｂと電圧コントローラ２３の出力電圧Ｖｖとに分割されるから、電圧コントローラ２３の電力容量は、蓄電池２２と電圧コントローラ２３の直列接続体に供給される電力よりも小さくて済み、かつ負荷の平坦化により大電流が流れないため、インバータ３０の電力容量よりもずっと小さい。そのため、電圧コントローラ２３のサイズやコストやそこでの電力消費による効率低下は、図２又は図３に示した従来のシステム５、９におけるＤＣ/ＤＣコンバータのそれよりも小さい。
【００３０】図５と図６は、図４に示したハイブリッド電源システム２０における、システムコントローラ２５の電圧制御動作の例を示している。図５は、モータ４０の運転時に行う電圧制御例を示し、図６はモータ４０の停止時に行う電圧制御例を示している。
【００３１】図５に例示するように、モータ４０の運転時には、システムコントローラ２５は、系統電圧Ｖｓ（＝Ｖｂ+Ｖｖ）が所定の最大電圧Ｖmaxを上回りそうであれば、そうならないように、また、所定の最小電圧Ｖminを下回りそうであれば、そうならないように、電圧コントローラ２３の電圧Vvを調整する（ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）。この調整を行っている間は、蓄電池の負担の平坦化が不可能（制御不能）な状態となるため、インバータが必要とする電力は、蓄電池が供給、あるいは逆に、インバータから戻ってくる電力は、蓄電池が吸収することになる。ここで、系統電圧Ｖｓの最大電圧Ｖmax及び最小電圧Ｖminは、例えば、電圧コントローラ２３の電圧Vvの制御によって可変できる系統電圧Ｖｓの可変範囲の中の、実用上適切と認められる可変範囲の最大値と最小値である。
【００３２】上記のように所定の最大電圧Ｖmaxと最小電圧Ｖminの間の範囲内に系統電圧Ｖｓを制御するとともに、システムコントローラ２５は、さらに、前述の運転信号などに基づいて、モータ４０の運転状態が力行か回生かを判断する（Ｓ５）。そして、力行運転時には、システムコントローラ２５は、電圧コントローラ２３の電圧Vvを低下させることで、キャパシタ２１からインバータ３０へ電力を供給する（Ｓ６）。このときの電圧Vvの低下率（又は低下量）Ｖ-は、例えば、インバータ４０が必要とする電力Ｐの所定関数Ｆ（Ｐ）として決定する。一方、回生運転時には、システムコントローラ２５は、電圧コントローラ２３の電圧Vvを上昇させることで、インバータ３０からキャパシタ２１へと電力を吸収する（Ｓ７）。このときの電圧Vvの上昇率（又は上昇量）Ｖ+は、例えば、インバータ４０が必要とする電力Ｐの所定関数Ｇ（Ｐ）として決定する。この制御により、蓄電池は常に一定電力を出力し、インバータの負荷の変動分はキャパシタが受け持つことが実現できる。
【００３３】図６に例示するように、モータ４０の停止時には、システムコントローラ２５は、系統電圧Ｖｓと所定の適正電圧Ｖaveとを比較する（Ｓ１０）。ここで、系統電圧Ｖｓの適正電圧Ｖaveとは、力行運転にも回生運転にも移行し易い電圧であって、例えば、電圧Ｖvの制御による系統電圧Ｖｓの可変範囲内の中央値や、或いは、系統電圧Ｖｓの可変範囲に対応するキャパシタ２１の蓄積エネルギーの可変範囲内の中央値に対応する系統電圧値などである。
【００３４】上記比較の結果、系統電圧Ｖｓが適正電圧Ｖaveより低いときには、システムコントローラ２５は、電圧コントローラ２３の電圧Vvを上昇させ、それにより、蓄電池２２からキャパシタ２１を充電し、系統電圧Ｖｓを適正電圧Ｖaveヘ近づける（Ｓ１１）。このとき、蓄電池２２の電流Ｉｂが、蓄電池２２の特性上適切な所定の小さい値になるように、電圧Vvの上昇率(又は上昇量)を制御する。
【００３５】一方、上記ステップＳ１０の比較の結果、系統電圧Ｖｓが適正電圧Ｖaveより高いときには、システムコントローラ２５は、蓄電池２２の放電状態を公知のチェック方法などを用いて調べ（Ｓ１２）、その放電状態に応じて、例えば予め用意したルックアップテーブルなどを用いて、蓄電池２２の適正な充電電流Ｉｘを割り出す（Ｓ１３）。続いて、システムコントローラ２５は、電圧コントローラ２３の電圧Vvを低下させ、それにより、キャパシタ２１から余剰電荷を放出さえて蓄電池２２を充電する（Ｓ１４）。このとき、蓄電池２２の充電電流Ｉｂが、ステップＳ１３で決定した適正値Ｉｘになるように、電圧Vvの下降率（又は下降量）を制御する。
【００３６】図７は、図５及び図６に示した電圧制御による系統電圧Ｖｓの時間的な変化例を大雑把に示す。
【００３７】図７において、一点鎖線はインバータ３０が必要とする電力Ｐを示す。電力Ｐが正の区間（ｔ0〜ｔ1）はモータ４０を力行運転している区間、電力Ｐが負の区間（ｔ1〜ｔ2）はモータ４０を回生運転している区間、及び電力Ｐがゼロの区間（ｔ2以降）はモータ４０が停止している区間である。
【００３８】図７に示すように、力行運転区間（ｔ0〜ｔ1）では、例えば、インバータ３０に供給すべき電力Ｐの大きさに応じた下降率で、系統電圧Ｖｓを下降させる。それにより、キャパシタ２１から電力が出力されインバータ３０に供給される。また、回生運転区間（ｔ1〜ｔ2）では、例えば、インバータ３０から戻すべき電力Ｐの大きさに応じた上昇率で、系統電圧Ｖｓを上昇させる。それにより、インバータ３０から戻される電力をキャパシタ２１が吸収する。
【００３９】モータ停止区間（ｔ2以降）では、図示のように系統電圧Ｖｓが適正電圧Ｖaveより高い場合には、系統電圧Ｖｓを適正電圧Ｖaveに向けて下降させる。それにより、キャパシタ２１が蓄電池２２を充電する。図示してないが、系統電圧Ｖｓが適正電圧Ｖaveより低い場合には、系統電圧Ｖｓを適正電圧Ｖaveに向けて上昇させる。それにより、蓄電池２２がキャパシタ２１を充電する。
【００４０】図８及び図９は、図４に示したハイブリッド電源システム２０内の電圧コントローラ２３の入力回路に関する２種類の構成例をそれぞれ示す。
【００４１】図８に示す例では、電圧コントローラ２３はDC/DCコンバータであり、その入力端子には補助的な蓄電池５１が接続されていて、この補助電池５１からの電力で動作する。補助電池５１は、インバータ３０へ電力を供給する主電源たる蓄電池（主電池）２２よりも容量の小さいものでよい。この補助電池５１の出力電圧（つまり電圧コントローラ２３の入力電圧）は、電圧コントローラ２３の出力電圧の可変範囲の最高値より高くてもよいし、低くても良い。補助電池５１の出力電圧が電圧コントローラ２３の出力電圧最高値より高い場合には、電圧コントローラ２３には降圧型のDC/DCコンバータ、例えば降圧チョッパ回路を採用することができる。逆に、補助電池５１の出力電圧が電圧コントローラ２３の出力電圧の最高値より低い場合には、電圧コントローラ２３には、昇圧型のDC/DCコンバータ、例えば昇圧チョッパ回路を採用することができる。後者の場合、補助電池５１の出力電圧より低い電圧範囲にまで電圧コントローラ２３の出力電圧を可変できるようにするために、上記昇圧型DC/DCコンバータは降圧機能を併せ持つことが望ましい。
【００４２】図８には、また、蓄電池２２の電力供給能力が不良になった時（例えば、蓄電量不足や故障などの時）に作動する救済回路も図示されている。
【００４３】すなわち、スイッチ５５が、主電池２２の両端子間に接続されている。なお、スイッチ５５は、システムコントローラ２５によって制御されて、主電池２２の正常時には図示のように開いている。また、別のスイッチ５７が、主電池２２と系統電圧ライン２６との間に介在し、それもシステムコントローラ２５によって制御されて、主電池２２の正常時には図示のように閉じている。そして、電源不良検出器５２が、蓄電池２２の出力電圧などの電力供給能力を示す状態５３を監視しており、その状態５３から蓄電池２２の電力供給能力が不良になった（例えば、蓄電量不足や故障など）と判断すると、検出信号５４をシステムコントローラ２５に出力する。システムコントローラ２５は、その検出信号５４に応答して、スイッチ５７を開き、そして、スイッチ５５を閉じる。スイッチ５７が開くことで、不良の主電池５７は系統電圧ライン２６，２７から切り離され、運転には使用されなくなる。また、スイッチ５５を閉じることで、電圧コントローラ２３の出力端子が、不良の主電池２２をバイパスして直接的に、系統電圧ライン２６，２７に接続される。以後、主電池５７を用いずに、補助電池５１で作動する電圧コントローラ２３の出力電力を用いて運転を行うよう、システムコントローラ２５が矢印２８で示すように電圧コントローラ２３の出力電力を制御する。こうして、主電池２２が使えなくなった場合でも、補助電池５１の容量の続く限りで、運転を継続することができる。
【００４４】図９に示す例では、電圧コントローラ２３はDC/DCコンバータであり、主電池２２から直流電圧変換回路５２を介して駆動電圧を入力する。直流電圧変換回路５２は、入力と出力間が電気的に絶縁されたタイプのものである。直流電圧変換回路５２は、例えばリンギングチョークコンバータであり、図示のように主電池２２からの直流電圧を発振回路３で交流電圧に変換し、これを一次・二次絶縁型のトランス５４を用いて入力側から絶縁された交流電圧に変換し、その交流電圧を整流器５５で直流電圧に変換して電圧コンバータ２３に入力する。なお、この例では、上述したように、直流電圧変換回路５２と電圧コントローラ２３を含めた電力変換回路は、入出力間が絶縁されたものとなる。これに対し、図８に示した構成における電圧コントローラ２３は、主電池２２とは別の補助電池５１を電源とするので、入出力間が絶縁型である必要はなく、非絶縁型のものでよい。
【００４５】図１０は、図４に示したハイブリッド電源システム２０において、ＤＣ/ＤＣコンバータを用いずに系統電圧Ｖsを可変にするための構成例を示す。
【００４６】図１０に示す回路６０は、２つの蓄電池６１、６２とスイッチ６３、６４を組み合わせたものであり、スイッチ６３、６４の接続状態を切り替えることで、２つの蓄電池６１、６２をＡのように直列接続したり、Ｂのように並列接続したりすることができる。スイッチ６３、６４の操作は、図４に示したシステムコントローラ２５によって行うことができる。組み合わされる蓄電池の個数として図１０は２個を例示しているが、3個以上であってもよい。このような蓄電池組み合わせ回路６０を１個又は複数個直列接続したものを、図４に示したハイブリッド電源システム２０において、蓄電池２２と電圧コントローラ２３の直列接続体に代えて、又は電圧コントローラ２３に代えて用いることができる。それにより、段階的ではあるが、系統電圧Ｖｓを変化させることができ、よって、上述した電圧コントローラを用いた場合と同様にキャパシタ２１の蓄積エネルギーを有効に活用することができる。
【００４７】図１１は、図４に示したハイブリッド電源システム２０において、系統電圧Ｖsを可変にするための別の構成例を示す。
【００４８】図１１に示すように、１個又は複数個の電池モジュール７０、７０、…が、系統電圧ライン２６、２７間に並列に接続される。各電池モジュール７０は、蓄電池７１と電圧コントローラ７２の出力端子とを直列接続したものであり、望ましくは、単一のユニット又は単一のパックになっている。電圧コントローラ７２は、その出力電圧が可変の例えばＤＣ/ＤＣコンバータであり、システムコントローラ２５によってその出力電圧などの状態が制御される。並列接続される電池モジュール７０の個数は、ハイブリッド電源システム２０のトータルの電流容量によって適宜に選択される。すなわち、トータルの容量が大きいほど、並列接続される電池モジュール７０の個数は増える。
【００４９】なお、各電池モジュール７０内の電圧コントローラ７２の駆動電力は、図８に示したように、蓄電池７１とは別に設けられた補助電池（図１１では図示してないが、各電池モジュール７０内に設けても良いし、電池モジュール７０外に設けてもよい）から供給するようにしてもよいし、或いは、図９に示したように、蓄電池７１から電圧変換回路（図１１では図示してないが、各電池モジュール７０内に設けても良いし、電池モジュール７０外に設けてもよい）を通じて供給するようにしてもよい。前者の場合には、補助電池だけでなく、図８に示したような、蓄電池７１の不良時に作動する救済回路の電圧不良検出器やスイッチ類（図１１では図示せず）も、各電池モジュール７０内に設けてもよい。
【００５０】一般に、蓄電池７１は、個体間の特性（インピーダンスなど）のばらつきが大きいため、複数個の蓄電池７１を並列接続することは、一部の蓄電池７１に負荷が偏るという問題があり、好ましくない。しかし、図１１に示す構成によれば、各電池モジュール７０の電圧コントローラ７２の状態を調整することで、蓄電池７１の特性のばらつきを吸収して、電池モジュール７０、７０、…の特性を均一化できるので、複数個の電池蓄モジュール７０、７０、…を並列接続しても問題はない。そして、並列接続する電池モジュール７０の個数を選択することで、ハイブリッド電源システム２０のトータルの容量を所望値にすることができる。
【００５１】以上、本発明の実施形を態を説明したが、これは本発明の説明のための例示であり、この実施形態のみに本発明の範囲を限定する趣旨ではない。従って、本発明は、その要旨を逸脱することなく、他の様々な形態で実施することが可能である。
【００５２】例えば、図4に示したハイブリッド電源システム２０では、キャパシタ２１が系統電圧ライン２６、２７間に直接に接続され、また、蓄電池２２と電圧コントローラ２３とが直接に直列接続され、その直列接続体が系統ライン２６、２７間に直接に接続されているが、必ずしもそうでなければならないわけではない。何らかの追加的な回路要素を介して、キャパシタ２１が系統電圧ライン２６、２７間に間接的に接続されていたり、蓄電池２２と電圧コントローラ２３が互いに間接的に直列接続されていたり、或いは、その直列接続体が系統電圧ライン２６、２７間に間接的に接続されていてもよい。
【００５３】また、上記実施形態では、エネルギー型電源デバイスとして蓄電池を、パワー型電源デバイスとしてキャパシタを用いたが、それらに代えて、エネルギー型電源デバイスとして燃料電池又はエンジン駆動発電機などを、或いは、パワー型電源デバイスとしてハイブリッド用電池などを用いることもできる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１２３６
【氏名又は名称】株式会社小松製作所
【住所又は居所】東京都港区赤坂二丁目３番６号
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| 【出願日】 |
平成１３年１１月５日（２００１．１１．５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９５３７１
【弁理士】
【氏名又は名称】上村 輝之 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２００３−１４３７１３（Ｐ２００３−１４３７１３Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１５年５月１６日（２００３．５．１６） |
| 【出願番号】 |
特願２００１−３３９７４６（Ｐ２００１−３３９７４６） |
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