(57)【要約】      （修正有）【課題】電動機からの回生電力を効率よく回収可能とした電動機駆動システムを提供する。【解決手段】第１の蓄電装置としての二次電池５１と第１のインピーダンス要素５２とを直列に接続した第１の蓄電ユニット５３と、第２の蓄電装置としてのキャパシタ５４と第２のインピーダンス要素５５とを直列に接続した第２の蓄電ユニット５６と、を並列に接続する。そして、第１の蓄電ユニット５３と第２の蓄電ユニット５６との並列接続回路の両端を電力変換器５８の入力側に接続し、その出力側に電動機５７を接続する。これにより、比較的簡単な回路構成のもとで二次電池５１及びキャパシタ５４の特性に合った電力授受を行い、二次電池５１及びキャパシタ５４の劣化を防止しつつ電動機５７の回生電力を効率よく回収し、高効率、高信頼性かつ長寿命の電動機駆動システムを実現する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源として蓄電装置を備えた電力変換器により電動機を駆動する電動機駆動システムであって、前記電動機の回生電力を、前記電力変換器を介して前記蓄電装置に回収可能な電動機駆動システムにおいて、
第１の蓄電装置と第１のインピーダンス要素とを直列に接続した第１の蓄電ユニットと、第２の蓄電装置と第２のインピーダンス要素とを直列に接続した第２の蓄電ユニットと、を並列に接続し、
前記第１の蓄電ユニットと第２の蓄電ユニットとの並列接続回路の両端を前記電力変換器の入力側に接続すると共に、前記電力変換器の出力側に前記電動機を接続したことを特徴とする電動機駆動システム。
【請求項２】
電源として蓄電装置を備えた電力変換器により電動機を駆動する電動機駆動システムであって、前記電動機の回生電力を、前記電力変換器を介して前記蓄電装置に回収可能な電動機駆動システムにおいて、
第１の蓄電装置と、第２の蓄電装置とインピーダンス要素とを直列に接続した蓄電ユニットと、を並列に接続し、
前記第１の蓄電装置と前記蓄電ユニットとの並列接続回路の両端を前記電力変換器の入力側に接続すると共に、前記電力変換器の出力側に前記電動機を接続したことを特徴とする電動機駆動システム。
【請求項３】
電源として蓄電装置を備えた電力変換器により電動機を駆動する電動機駆動システムであって、前記電動機の回生電力を、前記電力変換器を介して前記蓄電装置に回収可能な電動機駆動システムにおいて、
第１の蓄電装置とインピーダンス要素とを直列に接続した蓄電ユニットと、第２の蓄電装置と、を並列に接続し、
前記蓄電ユニットと前記第２の蓄電装置との並列接続回路の両端を前記電力変換器の入力側に接続すると共に、前記電力変換器の出力側に前記電動機を接続したことを特徴とする電動機駆動システム。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載した電動機駆動システムにおいて、
前記並列接続回路の一方の接続点と前記第２の蓄電装置の一端との間に、スイッチ手段を介在させたことを特徴とする電動機駆動システム。
【請求項５】
電源として蓄電装置を備えた電力変換器により電動機を駆動する電動機駆動システムであって、前記電動機の回生電力を、前記電力変換器を介して前記蓄電装置に回収可能な電動機駆動システムにおいて、
第１の蓄電装置とインピーダンス要素とを直列に接続した蓄電ユニットの両端を第１の電力変換器の入力側に接続し、第２の蓄電装置が入力側に接続された第２の電力変換器の出力側を前記第１の電力変換器の入力側に接続すると共に、
前記第１の電力変換器の出力側に前記電動機を接続したことを特徴とする電動機駆動システム。
【請求項６】
電源として蓄電装置を備えた電力変換器により電動機を駆動する電動機駆動システムであって、前記電動機の回生電力を、前記電力変換器を介して前記蓄電装置に回収可能な電動機駆動システムにおいて、
第１の蓄電装置と第１のインピーダンス要素とを直列に接続した第１の蓄電ユニットの両端を第１の電力変換器の入力側に接続し、第２の蓄電装置と第２のインピーダンス要素とを直列に接続した第２の蓄電ユニットの両端を第２の電力変換器の入力側に接続すると共に、前記第２の電力変換器の出力側を前記第１の電力変換器の入力側に接続し、
前記第１の電力変換器の出力側に前記電動機を接続したことを特徴とする電動機駆動システム。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１項に記載した電動機駆動システムにおいて、
第１の蓄電装置が二次電池であり、第２の蓄電装置がキャパシタであることを特徴とする電動機駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源として蓄電装置を備え、電動機の回生電力を蓄電装置に回収可能とした電動機駆動システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の枯渇問題、地球温暖化問題等を背景にして、電動機を駆動源とする電気自動車や、電動機及びエンジンを駆動源とするハイブリッド自動車等の開発が加速されている。これらの車両には、電源として蓄電装置を備えた電力変換器を有する電動機駆動システムが搭載されており、蓄電装置に蓄えられた電力を用いて電力変換器により電動機を駆動したり、電動機からの回生電力を、電力変換器を介して蓄電装置に回収する技術が種々、提供されている。
電気自動車やハイブリッド自動車等において、走行距離をできるだけ延ばすためには、電動機からの回生電力を効率的に回収することが必要であり、その方法の一つとして、二次電池とキャパシタとを併用した蓄電装置を用いることが提案されている。
【０００３】
例えば、図６は、特許文献１に記載された第１の従来技術としての車両用電源装置を示している。
図６において、主電源装置１０は、主電力貯蔵装置１１と、その両端にスイッチ１２を介して接続された電力変換器１３とを備え、電力変換器１３の出力側に車両電気負荷３０が接続されている。一方、補助電源装置２０は、補助電力貯蔵装置２１と、その両端に接続された電力変換器２２とを備え、電力変換器２２の出力側が電力変換器１３の入力側に接続されている。
ここで、主電力貯蔵装置１１は例えばバッテリーであり、補助電力貯蔵装置２１は例えばキャパシタである。また、車両電気負荷３０はインバータ、モータジェネレータ等を含んでいる。
【０００４】
上記の構成により、主電力貯蔵装置１１と車両電気負荷３０とは、電力変換器１３を介して双方向に電力授受が可能であり、また、補助電力貯蔵装置２１と車両電気負荷３０とは、電力変換器２２，１３を介して双方向に電力授受が可能である。更に、主電力貯蔵装置１１と補助電力貯蔵装置２１とは、電力変換器２２を介して双方向に電力授受が可能となっている。
【０００５】
このため、電力変換器２２により、各電力貯蔵装置１１，２１の電圧の違いを吸収すると共に、電力変換器１３，２２が電力貯蔵装置１１，２１の入出力電力をそれぞれ独立に制御して車両電気負荷３０との間でやり取りし、車両電気負荷３０の要求に合った電力を電力貯蔵装置１１，２１の特性に合わせて授受することができる。従って、電力を無駄なく授受して効率のよいシステムを構成することができ、電力貯蔵装置１１，２１の劣化を防止して、高信頼性かつ長寿命の駆動システムを構成することが可能である。
【０００６】
次に、図７は特許文献２に記載された第２の従来技術であり、電気自動車等に適用される電源装置用モジュールを示している。
この電源装置用モジュールは、図７（ａ）に示すように、正負端子間に直列に接続された複数のセル４３と、各セル４３の端子電圧を個別に監視する電圧監視回路４０とを備えている。各セル４３は、図７（ｂ）に示すように、リチウムイオン二次電池４１と、この二次電池４１に並列接続されたリチウムイオンキャパシタ４２とから構成されており、各セル４３の両端電圧を電圧監視回路４０が個別に監視可能である。
【０００７】
第２の従来技術では、二次電池４１及びキャパシタ４２からなる各セル４３の電圧を監視して充放電を制御すれば、キャパシタ４２による電流アシスト動作により、起動時に短時間で大電流を供給するような高エネルギーの要求に応えることができる。また、各セル４３の電圧を適正値に制御することにより、充放電の繰り返しに伴う二次電池４１及びキャパシタ４２の劣化を防止し、寿命を延ばすことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−１６０６４０号公報（[００１７]〜[００２１]、図１等）
【特許文献２】特開２０１１−１０８３７２号公報（[００２７]〜[００３５]、図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載された第１の従来技術では、複数の電力変換器１３，２２が必要であるため、これらの制御回路を含めた回路構成が複雑となり、システム全体が高価になると共に大型化するという問題がある。
特許文献２に記載された第２の従来技術では、リチウムイオン二次電池４１とリチウムイオンキャパシタ４２との間で電気エネルギーの分担を制御できないため、短時間での高エネルギーの出力に限界があり、また、回生電力の回収能力が不足するという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、蓄電装置として二次電池及びキャパシタ等を備えた電動機駆動システムにおいて、比較的簡単な構成により各蓄電装置の特性に合った電力授受を行い、各蓄電装置の劣化を防止しつつ電動機からの回生電力を効率よく回収可能とした電動機駆動システムを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、高効率、高信頼性かつ長寿命の電動機駆動システムを比較的安価に提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電源として蓄電装置を備えた電力変換器により電動機を駆動する電動機駆動システムであって、電動機の回生電力を、電力変換器を介して蓄電装置に回収可能な電動機駆動システムを対象としている。
そして、本発明は、第１の蓄電装置と第１のインピーダンス要素とを直列に接続した第１の蓄電ユニットと、第２の蓄電装置と第２のインピーダンス要素とを直列に接続した第２の蓄電ユニットと、を並列に接続し、第１の蓄電ユニットと第２の蓄電ユニットとの並列接続回路の両端を電力変換器の入力側に接続すると共に、電力変換器の出力側に電動機を接続したものである。
ここで、例えば、第１の蓄電装置には二次電池を用い、第２の蓄電装置にはキャパシタを用いることが望ましい。また、第１，第２のインピーダンス要素にはリアクトルを用い、そのインダクタンスを適宜な値に設定することにより、第１，第２の蓄電ユニットのインピーダンスを異ならせ、各蓄電装置と電動機との間で授受する電気エネルギーの分担を制御することができる。
【００１２】
請求項２に係る発明は、請求項１が対象とする前記電動機駆動システムにおいて、第１の蓄電装置と、第２の蓄電装置とインピーダンス要素とを直列に接続した蓄電ユニットと、を並列に接続し、第１の蓄電装置と蓄電ユニットとの並列接続回路の両端を電力変換器の入力側に接続すると共に、電力変換器の出力側に電動機を接続したものである。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項１が対象とする前記電動機駆動システムにおいて、第１の蓄電装置とインピーダンス要素とを直列に接続した蓄電ユニットと、第２の蓄電装置と、を並列に接続し、蓄電ユニットと第２の蓄電装置との並列接続回路の両端を電力変換器の入力側に接続すると共に、電力変換器の出力側に電動機を接続したものである。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項において、前記並列接続回路の一方の接続点と第２の蓄電装置の一端との間に、スイッチ手段を接続したものである。
【００１５】
請求項５に係る発明は、請求項１が対象とする前記電動機駆動システムにおいて、第１の蓄電装置とインピーダンス要素とを直列に接続した蓄電ユニットの両端を第１の電力変換器の入力側に接続し、第２の蓄電装置が入力側に接続された第２の電力変換器の出力側を第１の電力変換器の入力側に接続すると共に、第１の電力変換器の出力側に電動機を接続したものである。
【００１６】
請求項６に係る発明は、請求項１が対象とする前記電動機駆動システムにおいて、第１の蓄電装置と第１のインピーダンス要素とを直列に接続した第１の蓄電ユニットの両端を第１の電力変換器の入力側に接続し、第２の蓄電装置と第２のインピーダンス要素とを直列に接続した第２の蓄電ユニットの両端を第２の電力変換器の入力側に接続すると共に、第２の電力変換器の出力側を第１の電力変換器の入力側に接続したものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、第１の蓄電装置及び第２の蓄電装置の両方または何れか一方にインピーダンス要素を直列に接続してそのインピーダンスを所定値に設定し、例えば第１の蓄電装置として二次電池を用い、第２の蓄電装置としてキャパシタを用いることにより、二次電池には比較的緩慢な充放電を分担させ、キャパシタには過渡的なパルス状の電気エネルギーの充放電を分担させることができる。
これにより、各蓄電装置の特性に合った電力授受が可能となり、各蓄電装置の劣化を防止しながら電動機の回生電力を効率よく回収することが可能になる。
総じて、本発明によれば、高効率、高信頼性かつ長寿命の電動機駆動システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態を示す構成図である。
【図４】本発明の第４実施形態を示す構成図である。
【図５】本発明の第５実施形態を示す構成図である。
【図６】第１の従来技術を示す構成図である。
【図７】第２の従来技術を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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実施形態の構成図である。この第１実施形態に係る電動機駆動システムは、第１の蓄電装置である二次電池５１と第１のインピーダンス要素５２とを直列接続した第１の蓄電ユニット５３と、第２の蓄電装置であるコンデンサ５４と第２のインピーダンス要素５５とを直列接続した第２の蓄電ユニット５６と、これら第１及び第２の蓄電ユニット５３，５６の並列接続回路の両端に入力側が接続された電力変換器５８と、を備えている。
【００２０】
電力変換器５８の出力側には、電動機５７が接続されている。この電動機５７は、例えば三相の交流電動機であり、電力変換器５８は、第１及び第２の蓄電ユニット５３，５６の並列接続回路と電動機５７との間で直流−交流間の電力変換を行うことにより、電気エネルギーを授受する。
周知のように、電動機５７の力行動作時には、電力変換器５８の蓄電ユニット５３，５６側が電気エネルギーの入力側（電動機５７側が出力側）となり、電動機５８の回生動作時には、電力変換器５８の電動機５７側が入力側（蓄電ユニット５３，５６側が出力側）となる。
【００２１】
次に、この第１実施形態の動作を説明する。
電力変換器５８は、二次電池５１またはキャパシタ５４に蓄えられた電力を電動機５７の力行動作時に駆動エネルギーとして活用する。また、回生動作時には、電動機５７から電力を回収し、二次電池５１またはキャパシタ５４に電気エネルギーとして蓄積する。
一般的に、二次電池はエネルギー密度が高く、比較的緩慢な充放電の繰り返しに強いが、過渡的なパルス状のエネルギーの充放電には弱い傾向がある。他方、キャパシタは短い周期の繰り返し充放電に強く、特に過渡的なパルス状のエネルギーの充放電には強いが、エネルギー密度が低く、電気エネルギーの蓄積能力が低い傾向にある。よって、これらの蓄電装置を並列に接続して両者の特徴を活かすことで、装置全体としての効率の向上や寿命の延長を図ることができる。
【００２２】
しかし、二種類の蓄電装置を単純に並列接続しただけでは、各蓄電装置の特性に合わせた電気エネルギーの分担を行うことができない。電気エネルギーの分担を適切に実施するためには、図６に示した従来技術のように、各蓄電装置に対応させて電力変換器１３，２２を設け、これらの電力変換器１３，２２によりそれぞれ独立してエネルギーの授受を制御する必要がある。しかしながら、このような構成では、前述したごとく電力変換器の台数が多くなって回路構成が複雑化し、システムの大型化、高価格化を招く。
【００２３】
そこで、蓄電装置が授受するエネルギー成分に関し、過渡的なパルス状の成分は、その多くをキャパシタ５４側が授受するように、第１のインピーダンス要素５２を二次電池５１に直列に接続し、第２のインピーダンス要素５５をキャパシタ５４に直列に接続すると共に、これらのインピーダンス要素５２，５５のインピーダンスを所定値に設定する。
ここで、インピーダンス要素５２，５５としては、例えば、リアクトルが考えられる。過渡的なパルス状のエネルギー成分の角周波数をωとし、第１のインピーダンス要素５２のインダクタンスをＬ１、第２のインピーダンス要素５５のインダクタンスをＬ２とした場合、インダクタンスＬ１，Ｌ２の関係を数式１のように設定すると、角周波数ωに関わらず、第２のインピーダンス要素５５のインピーダンスＺ２（＝ω・Ｌ２）は第１のインピーダンス要素５２のインピーダンスＺ１（＝ω・Ｌ１）より常に小さくなる。
［数式１］
Ｌ１  ＞  Ｌ２
【００２４】
これにより、蓄電装置（二次電池５１及びキャパシタ５４）と電動機５７との間で授受される電気エネルギーについては、過渡的なパルス状のエネルギー成分の多くをキャパシタ５４側で授受することができる。
従って、この実施形態によれば、比較的簡単な回路構成により、キャパシタ５４側がより多くの過渡的なパルス状のエネルギー成分を授受するようになり、その分、二次電池５１に対してはパルス状のエネルギー成分を授受する責務を軽減して二次電池５１の劣化を防止することができる。しかも、二次電池とキャパシタとを単に並列接続した回路に比べてより多くの電気エネルギーを授受できるため、システム全体の長寿命化や高効率化が可能である。
【００２５】
次に、図２は本発明の第２実施形態を示す構成図である。
第２実施形態は、図１における第１の蓄電ユニット５３から第１のインピーダンス要素５２を除去した構成に相当し、コンデンサ５４とインピーダンス要素５５とを直列接続した蓄電ユニット５６と、二次電池５１とが並列に接続され、その並列接続回路の両端が電力変換器５８の入力側に接続されている。
また、図３は、本発明の第３実施形態を示す構成図である。
この第３実施形態は、図１における第２の蓄電ユニット５６から第２のインピーダンス要素５５を除去した構成に相当し、二次電池５１とインピーダンス要素５２とを直列接続した蓄電ユニット５３と、コンデンサ５４とが並列に接続され、その並列接続回路の両端が電力変換器５８の入力側に接続されている。
図２，図３において、他の構成は図１と同様であり、インピーダンス要素５５，５２には、例えば前記同様にリアクトルを用いればよい。
【００２６】
第２実施形態、第３実施形態においては、キャパシタ５４側にパルス状の電流が流れ易くなるように、インピーダンス要素５５または５２のインピーダンスを設定する。これにより、第１実施形態と同様に、キャパシタ５４側により多くの過渡的なパルス状の電気エネルギーを授受させることができ、二次電池５１の劣化を防止することができる。
【００２７】
図４は、本発明の第４実施形態を示す構成図である。
この第４実施形態では、図１における第１，第２の蓄電ユニット５３，５６の並列接続回路の一方の接続点と、キャパシタ５４の一端との間に、例えば半導体スイッチ等からなるスイッチ手段５９が接続されている。その他の構成は図１と同様である。この実施形態は、第２の蓄電ユニット５６内のキャパシタ５４として、リチウムイオンキャパシタのように使用下限電圧を有する素子を使用する場合に有効である。
【００２８】
図４において、スイッチ手段５９を閉じてキャパシタ５４から電力変換器５８を介して電動機５７へ電気エネルギーを供給している場合、キャパシタ５４の電圧が使用下限電圧よりやや高めの設定値に達した時点でスイッチ手段５９を開放する。これにより、キャパシタ５４の電圧が使用下限電圧を下回る前に、キャパシタ５４からの電力供給を遮断してキャパシタ５４の電圧が使用下限電圧より低下するのを防止することができる。
これにより、キャパシタ５４の劣化や破損を防ぎ、システム全体の信頼性向上、長寿命化が可能になる。
【００２９】
次いで、図５は本発明の第５実施形態を示す構成図である。
この第５実施形態は、図１における第２の蓄電ユニット５６に代えて、キャパシタ５４が入力側に接続された第２の電力変換器６０の出力側を第１の電力変換器５８の入力側に接続したものである。
【００３０】
図５において、電力変換器６０の動作により、キャパシタ５４と電力変換器５８の入力側との間で授受される電気エネルギーを制御することができる。また、キャパシタ５４として使用下限電圧を有するリチウムイオンキャパシタ等を用いた場合には、電力変換器６０の半導体スイッチをオフしてキャパシタ５４からの電力供給を遮断することが可能であるため、電力変換器６０により、図４のスイッチ手段５９と同様な動作を行わせることもできる。
この第５実施形態によれば、キャパシタ５４に対する一層効果的なエネルギーマネージメントが可能であり、キャパシタ５４の劣化や破損を防止してシステム全体の信頼性向上、長寿命化が可能になる。
【００３１】
なお、図示されていないが、図５のキャパシタ５４に直列に第２のインピーダンス要素５５を接続して第２の蓄電ユニット５６を構成し、その両端を電力変換器６０の入力側に接続してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載される電動機、または、工場やビル等に設置される各種動力源としての電動機の駆動システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００３３】
５１  二次電池
５２  第１のインピーダンス要素
５３  第１の蓄電ユニット
５４  キャパシタ
５５  第２のインピーダンス要素
５６  第２の蓄電ユニット
５７  電動機
５８  電力変換器
５９  スイッチ回路
６０  電力変換器
【図１】
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【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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【図７】
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