(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁型電力移送回路の二入力端子間に第１の電源が接続され、前記絶縁型電力移送回路の二出力端子のうちの一方に前記第１の電源の一方の端子が接続された回路を２組有し、
第１組目の回路における前記絶縁型電力移送回路の二出力端子のうちの他方と、第２組目の回路における前記絶縁型電力移送回路の二出力端子のうちの一方とが接続されるとともに、
第１組目の回路における前記絶縁型電力移送回路の二出力端子のうちの一方と、第２組目の回路における前記絶縁型電力移送回路の二出力端子のうちの他方とが接続され、
かつ、第１組目の回路における前記第１の電源の他方の端子と、第２組目の回路における前記第１の電源の他方の端子との間に、第２の電源と負荷装置との並列回路が接続されてなり、第１組目および第２組目の回路における前記第１の電源は、前記第２の電源と前記負荷装置との並列回路とエネルギーの授受を行う、ことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記第１の電源は発電機、燃料電池または電池であり、前記第２の電源はコンデンサまたは電池であることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
請求項１または２の何れか記載の電源装置が搭載された電気自動車であって、前記負荷装置には車両駆動に使用されるモータが含まれることを特徴とする電気自動車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１の電源と電流制御回路等の絶縁型電力移送回路とを２組用いかつ負荷に並列に接続した第２の電源を備えた電源装置において、各組の第１の電源と、第２の電源との間でのエネルギーの授受を、高効率で行うことができる電源装置およびこれが搭載される電気自動車に関する。
【０００２】
【技術背景】
一般に、電池は、急激に変動する負荷条件で使用すると、一定の負荷条件で使用するときと比べて容量が小さくなり、寿命が短くなることが知られている。これは、電気自動車用の電池についても言える。電池がエネルギー源として用いられる、ラップトップコンピュータのような携帯用計算機、ハンディテープレコーダのような携帯用音響機器等の装置や機器では、電池の負荷条件が、大幅、急激かつ頻繁に変動することはあまりない。しかし、電気自動車では、特に、発進時、加速時、減速時、停止時、登坂時等において、モータ等の負荷（電動機負荷）が大幅、急激かつ頻繁に変動する。この電動機負荷の変動は、電池の負荷条件の変動に直接影響する。このため、電気自動車の電池は、一定負荷の条件の場合よりも容量は小さく、かつ寿命が短くなってしまっている。
【０００３】
従来の電気自動車では、電源装置は、電池の容量を小さくせず、かつ電池を長寿命化するといった要請を犠牲にしても、上記大幅、急激かつ頻繁な電動機負荷の変動に対応できるように設計されているが、一方で、電気自動車の電源装置には、電池の容量をできるだけ大きくし、あるいは電池の寿命をできるだけ延ばすための工夫も種々なされている。たとえば、電源装置を、主電源用の電池と、副電源用の電池または大容量のコンデンサとを組み合わせて構成し、前述の電動機負荷の大幅、急激かつ頻繁な変動を前記副電源に負担させることで、主電源用の電池の負荷条件の変動を極力一定の範囲内に抑えることが従来行われている。
【０００４】
図４は、このような電気自動車の電源装置を示すもので、電源装置５は、電池からなる主電源５１と、コンデンサまたは電池からなる副電源（図４では便宜上コンデンサで示してある）５２との並列接続により構成され、この電源装置５から、インバータ６１と車両駆動用モータ６２とを含む電動装置６にエネルギーを供給している。この電源装置では、主電源５１と副電源５２の端子電圧は同じである。また、電流の分担比は、それぞれの内部抵抗（Ｒ１，Ｒ２）の逆比率に応じて自ずと定まる。このため、主電源５１の負荷条件の変動を一定の範囲内に抑えるには限界がある。
【０００５】
このような不都合を解消するための電源装置５として、図５に示すように、主電源５１と副電源５２との間にＤＣ／ＤＣコンバータからなる電流制御回路５３を設けたものも知られている。この電源装置５では、主電源５１と副電源５２との電流の分担比を電流制御回路５３により決めることができるので、主電源５１の負荷条件を一定の範囲内に抑えることが可能である。しかし、図５の電源装置５では、主電源５１と副電源５２との間でエネルギーの授受を行う場合、すべてのエネルギーが電流制御回路５３を通過するので、電流制御回路５３のエネルギー移送効率が電源装置全体の効率に直接影響する。このため、電流制御回路５３におけるエネルギー損失が大きいと、副電源を設けることで主電源の容量を確保するというメリットが、電流制御回路５３を設けることで逆に減殺される。もちろん、電流制御回路５３として、エネルギー移送効率が高いものを用いれば、電源装置全体の効率も高くなるが、このような電流制御回路は高価であり、電気自動車の製造コストの上昇につながる。
【０００６】
上述した例では、主電源５１が電池の電源装置の例を述べたが、いわゆるハイブリッド電気自動車と称されるものでは、主電源として燃料電池やエンジン発電機が用いられる。ガソリン等の燃料を用いた、通常の内燃機関（エンジン）駆動による自動車では、発進時、加速時、減速時、停止時、登坂時等の電動機負荷が大きいときには、効率が低下し、有害排気ガスも増加するが、たとえば主電源がエンジン発電機であるハイブリッド電気自動車では、当該エンジン発電機を、最も効率がよくかつ有害排気ガスが最も少ない一定の条件で駆動させることができる。すなわち、このようなハイブリッド電気自動車では、エンジン発電機（主電源）を最も効率がよくかつ有害排気ガスが最も少ない一定の条件で駆動して副電源の充電を行い、電動機負荷が大きいときには、当該副電源からのエネルギーにより車両駆動用モータを駆動する。
【０００７】
図６に示したように、このようなハイブリット電気自動車の電源装置７も、主電源（エンジン発電機）７１と副電源（ここでは、電池で示す）７２との間に電流制御回路７３が設けられる。しかし、この電源装置７の場合にも主電源７１から副電源７２にエネルギーが移動する過程で、すべてのエネルギーが電流制御回路７３を通るため、当該電流制御回路７３のエネルギー移送効率が電源装置全体の効率に直接影響する。このため、電流制御回路７３におけるエネルギー損失が大きいと、一定条件で運転することで燃費の向上や有害排気ガスの低減を図るといったメリットが、電流制御回路７３を設けることで逆に減殺される。
【０００８】
【発明の目的】
本発明の目的は、第１の電源と、二入力端子および二出力端子を持つ絶縁型電力移送回路とを２組用いかつ負荷に並列に接続した第２の電源を備えた電源装置において、各組の第１の電源と第２の電源と、の間でのエネルギーの授受を、高効率で行うことができる電源装置およびこれが搭載される電気自動車を提供することである。
【０００９】
【発明の概要】
本発明者は、第１および第２の電源と、二入力端子および二出力端子を持つ絶縁型電力移送回路とを２組用いかつ第２の電源を備えた電源装置において、各組の第１の電源から、第２の電源にエネルギーを移す場合に、当該エネルギーの一部分のみを絶縁型電力移送回路を介するようにすれば、絶縁型電力移送回路におけるエネルギー損失を低減することができる、との知見を得て本発明をなすに至った。すなわち、本発明の電源装置は、絶縁型電力移送回路の二入力端子間に第１の電源が接続され、前記絶縁型電力移送回路の二出力端子のうちの一方に前記第１の電源の一方の端子が接続された回路を２組有し、
第１組目の回路における前記絶縁型電力移送回路の二出力端子のうちの他方と、第２組目の回路における前記絶縁型電力移送回路の二出力端子のうちの一方とが接続されるとともに、
第１組目の回路における前記絶縁型電力移送回路の二出力端子のうちの一方と、第２組目の回路における前記絶縁型電力移送回路の二出力端子のうちの他方とが接続され、
かつ、第１組目の回路における前記第１の電源の他方の端子と、第２組目の回路における前記第１の電源の他方の端子との間に、第２の電源と負荷装置との並列回路が接続されてなり、第１組目および第２組目の回路における前記第１の電源は、前記第２の電源と前記負荷装置との並列回路とエネルギーの授受を行うことを特徴とする。
【００１０】
ここで、第１の電源は発電機（通常、直流発電機）や燃料電池であることもあるし、通常の電池（以下、単に「電池」と言う）であることもある。また、第２の電源はコンデンサであることもあるし、電池であることもある。また絶縁型電力移送回路は、入力側と出力側とが絶縁された、一般にＤＣ／ＤＣコンバータと呼ばれる電源回路であり、出力の電圧制御または電流制御を行う。第１および第２の電源がともに直流電源であり、負荷装置が直流電動機である場合には、絶縁型電力移送回路はＤＣ／ＤＣコンバータである。
【００１１】
また、本発明の電気自動車は、上記のような電源装置が搭載されており、負荷装置には車両駆動に使用されるモータが含まれることを特徴とする。ここで、電気自動車とは、乗用自動車や貨物自動車に限定されず、オートバイ、原動機付自転車等の２輪の車両も含むことはもちろんである。なお、上記電源装置は、上記電気自動車への応用に限定されるものではなく、船舶、軌道車両等、特に比較的大電力を必要とする装置へも応用される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を、電気自動車の電源装置を例に示す。
《既存の電源装置の構成およびその動作》
実施形態の理解を容易にするため、まず既存の電源装置の構成およびその動作を説明する。
図２（Ａ）において電源装置１は、電池からなる主電源１１（第１の電源）およびコンデンサからなる副電源１２（第２の電源）と、二入力端子および二出力端子を持つ絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータからなる電流制御回路１３（絶縁型電力移送回路）とから構成される。
【００１３】
電流制御回路１３の入力端子ａ，ｂは、主電源１１の（＋）端子ｅ，（−）端子ｆにそれぞれ接続されている。また、電流制御回路１３の出力端子ｃは、主電源１１の（−）端子ｆに接続されており、出力端子ｄは、副電源１２の一方の端子ｈに接続されている。この副電源１２の他方の端子ｇは、主電源１１の（＋）端子ｅに接続されている。さらに、副電源１２の端子ｇ，ｈには、インバータ２１と車両駆動用モータ２２とを含む電動装置２（負荷装置）が接続されている。
【００１４】
図２（Ａ）において、副電源１２の端子ｇ，ｈ間の電圧をＶａ、主電源１１の電圧（すなわち、電流制御回路１３の入力電圧）をＶｂ、電流制御回路１３の出力電圧をＶｄとすると、
Ｖａ＝Ｖｂ＋Ｖｄ  ・・・（１）
となる。電流制御回路１３の入力電流をＩａ、電流制御回路１３の出力電流をＩｄ、主電源１１の負荷電流をＩｂとすると、
Ｉａ＝Ｉｂ−Ｉｄ  ・・・（２）
となる。電流制御回路１３の入力電力Ｐｉは、
Ｐｉ＝Ｖｂ×Ｉａ＝Ｖｂ×（Ｉｂ−Ｉｄ）  ・・・（３）
となり、出力電力Ｐｏは、
Ｐｏ＝Ｖｄ×Ｉｄ  ・・・（４）
となる。
【００１５】
したがって、電流制御回路１３のＤＣ／ＤＣ変換効率ηは、
η＝Ｐｏ／Ｐｉ＝（Ｖｄ×Ｉｄ）／｛Ｖｂ×（Ｉｂ−Ｉｄ）｝  ・・・（５）
で表される。また、主電源１１側から副電源１２側に向かう電力Ｐｃは、
Ｐｃ＝Ｖａ×Ｉｄ＝（Ｖｂ＋Ｖｄ）×Ｉｄ  ・・・（６）
であり、主電源１１の消費電力Ｐは、
Ｐ＝Ｖｂ×Ｉｂ  ・・・（７）
である。したがって、電源装置１全体の効率Ｈは、
Ｈ＝Ｐｃ／Ｐ＝（Ｖｂ＋Ｖｄ）×Ｉｄ／（Ｖｂ×Ｉｂ）  ・・・（８）
となる。
【００１６】
すなわち、主電源１１から副電源１２に流れる電流は電流制御回路１３の出力電流Ｉｄに等しく、また、式（１）に示したように、副電源１２の端子ｇ，ｈ間の電圧Ｖａは電流制御回路１３の入力電圧Ｖｂと電流制御回路１３の出力電圧Ｖｄとの和に等しい。したがって、図２（Ａ）に示した電源装置では、主電源１１と電流制御回路１３とは、電圧ＶｂとＶｄとを分担しながら、副電源１２にエネルギーを移すことになる。
【００１７】
電圧Ｖｄの大きさは、負荷が正常に動作する電圧の範囲等の制限から定めることができる。具体的に、副電源１２に加えられる電圧のうち半分を主電源１１が分担し、残りの半分を電流制御回路１３が分担した場合（すなわち、Ｖｂ＝Ｖｄとした場合）の、電源装置１全体の効率Ｈを求めると、
Ｈ＝Ｐｃ／Ｐ＝２η／（１＋η）  ・・・（９）
となる。
【００１８】
これに対して、前述した従来の電気自動車の電源装置を示す図５において、主電源５１および副電源５２の内部抵抗による損失を無視すると、電流制御回路５３のＤＣ／ＤＣ変換効率η′が電源装置自体の効率Η′となる。図２（Ａ）の電流制御回路１３と図５の電流制御回路５３のＤＣ／ＤＣ変換効率が等しいとすると、
Ｈ−Ｈ′＝２η／（１＋η）−η＝η（１−η）／（１＋η）＞０  ・・・（１０）
（１＞η＞０）
となるので、Ｈ＞Ｈ′となる。ここで、たとえば、ηを９０％とすると、Ｈ＝９４．７３％、Ｈ′＝９０％となるので、電源装置１全体の効率Ｈは約５％向上することがわかる。このように、上記の電源装置を用いれば、主電源１１と副電源１２との間でのエネルギーの授受を、高効率で行うことができる。
【００１９】
なお、図２（Ａ）では、主電源１１の（＋）端子ｅをコンデンサ副電源１２の一方端子に接続し、主電源１１の（−）端子ｆを電流制御回路１３の出力端子ｃに接続したが、図２（Ｂ）に示すように、主電源１１の（−）端子ｆをコンデンサ副電源１２の一方端子に接続し、主電源１１の（＋）端子ｅを電流制御回路１３の出力端子ｄに接続するようにしても、図２（Ａ）と同様の作用が奏されることはもちろんである。
【００２０】
上記の例では、電源装置に１つの電流制御回路を用いた場合を説明したが、主電源１１が、電流制御回路の出力端子に接続されていない側の端子を介して、コンデンサ副電源１２と電動装置２との並列接続回路にエネルギーを供給できれる構成であれば、種々の態様をとることができる。たとえば、電源装置は、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、複数の電流制御回路を用いて構成することができる。
【００２１】
図３（Ａ）の電源装置１Ａでは、１つの主電源１１１の二端子が、複数（ここでは２つ）の電流制御回路１３１ａ，１３１ｂの各二入力端子に接続されている。また、電流制御回路１３１ａの一方の出力端子が主電源１１１の一方の端子に接続され、電流制御回路１３１ａの他方の出力端子は、電流制御回路１３１ｂの一方の出力端子に接続されている。主電源１１１の他方の端子と、電流制御回路１３１ｂの他方の出力端子との間に、副電源１２と電動装置２との並列接続回路が接続されている。
【００２２】
図３（Ｂ）の電源装置１Ｂでは、図２（Ａ）に示した電流制御回路１３と主電源１１との組を複数組（ここでは２組）直列に接続した構成を有している。すなわち、図３（Ｂ）では、電流制御回路１３２ａと主電源１１２ａとの組と、電流制御回路１３２ｂと主電源１１２ｂとの組とが直列に接続され、この直列接続の両端に、副電源１２と電動装置２との並列接続回路が接続されている。
【００２３】
図３（Ｃ）の電源装置１Ｃでは、図２（Ａ）に示した電流制御回路１３と主電源１１との組と、図２（Ｂ）に示した電流制御回路１３と主電源１１の組とを直列に接続した構成を有している。すなわち、図３（Ｃ）では、電流制御回路１３３ａと主電源１１３ａとの組と、電流制御回路１３３ｂと主電源１１３ｂとの組とが、各電流制御回路１３３ａ，１３３ｂの主電源が接続されていない側の出力端子同士が相互に接続されるように構成されている。そして、主電源１１３ａと１１３ｂの、電流制御回路１３３ａ，１３３ｂの出力端子に接続されていない側の各端子間に、副電源１２と電動装置２との並列接続回路が接続されている。
【００２４】
《本発明の実施形態にかかる電源装置の構成およびその動作》
ところで、図３（Ｂ），（Ｃ）の電源装置では、電流制御回路１３２ａ，１３２ｂ、１３３ａ，１３３ｂの出力電圧は同一とは限らない。本発明の実施形態にかかる電源装置１Ｄでは、電流制御回路１３４ａ，１３４ｂの出力電圧を同一にすることができる。
すなわち、図１の電源装置１Ｄでは、図２（Ａ）に示した電流制御回路１３と主電源１１との組を２組に接続した構成を有している。図１では、電流制御回路１３４ａと主電源１１４ａとの組と、電流制御回路１３４ｂと主電源１１４ｂとの組とが直列に接続され、電流制御回路１３４ａの主電源１１４ａが接続されている側の出力端子が、電流制御回路１３４ｂの主電源１１４ｂが接続されていない側の出力端子に接続され、また電流制御回路１３４ａの主電源１１４ａが接続されていない側の出力端子が、電流制御回路１３４ｂの主電源１１４ｂが接続されている側の出力端子に接続されている。そして、主電源１１４ａと１１４ｂの、電流制御回路１３４ａ，１３４ｂの出力端子に接続されていない側の各端子間に、副電源１２と電動装置２との並列接続回路が接続されている。
【００２５】
図１の電源装置１Ｄにおいては、図２（Ａ）や図２（Ｂ）に示した電源装置と同様、主電源と副電源との間でのエネルギーの授受を、高効率で行うことができる。また、上述したように電流制御回路１３４ａ，１３４ｂの出力電圧Ｖｄは同一となる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成したので、２組の、電流制御回路と主電源とからなる回路における各第１の電源と、第２の電源との間でのエネルギーの授受を、高効率で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態を示す図である。
【図２】  （Ａ）は既存の電気自動車の電源装置を例に示す図、（Ｂ）は図２（Ａ）の電源装置の設計変更例を示す図である。
【図３】  （Ａ）〜（Ｃ）は、複数の電流制御回路を用いて構成した既存の電源装置を示す図である。
【図４】  電池からなる主電源とコンデンサからなる副電源とからなる従来の電気自動車の電源装置を示す図である。
【図５】  電池からなる主電源とコンデンサからなる副電源との間に電流制御回路を設けた従来の電気自動車の電源装置を示す図である。
【図６】  エンジン発電機からなる主電源と電池とからなる副電源との間に電流制御回路を設けた従来の電気自動車の電源装置を示す図である。
【符号の説明】
１，１Ａ〜１Ｄ，５，７  電源装置
１１，５１，７１，１１１，１１２ａ，１１２ｂ，１１３ａ，１１３ｂ，１１４ａ，１１４ｂ  主電源
１２，５２，７２  副電源
１３，５３，７３，１３１ａ，１３１ｂ，１３２ａ，１３２ｂ，１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂ  電流制御回路
２，６  電動装置
２１，６１  インバータ
２２，６２  車両駆動用モータ
【図１】
0003713521.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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