(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車載エンジン発電機及び車載主蓄電装置の電力、または、車載主蓄電装置の電力により電力変換器を介し車両駆動電動機を駆動する電気自動車において、
前記主蓄電装置を、電気二重層キャパシタセルを複数個直列接続してなる少なくとも２個の電池ブロックと、これらの電池ブロック間に接続されたチョッパとから構成すると共に、
前記チョッパの制御により、前記主蓄電装置の電圧を負荷の大小に応じて可変と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２】
請求項１記載の電気自動車の電源システムにおいて、
前記電力変換器に対して、前記主蓄電装置を複数、並列に接続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、
前記チョッパが電流双方向形昇降圧チョッパである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１，２または３記載の電気自動車の電源システムにおいて、
前記電池ブロックを、接続ケーブルまたは前記チョッパを介して車載の補助蓄電装置の電力により初期充電する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電池を主蓄電装置に使用したハイブリッド電気自動車、その他、主蓄電装置を有する電気自動車一般に適用可能な電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、主蓄電装置として電気二重層キャパシタ電池を使用したハイブリッド電気自動車の公知の電源システムを示している。従来では、蓄電装置として化学二次電池を使用していたが、化学二次電池は充放電サイクル寿命が短く、しかも高出力作動時の効率が悪いため、最近では電気二重層キャパシタ電池が適用されてきている。
【０００３】
図１０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を駆動する電力変換器としてのインバータであり、これらの要素がパワートレインを構成している。７は補助蓄電装置８を充電するＤＣーＤＣコンバータ、９は補機である。なお、ここでは電動機６以降の駆動機構の図示を省略してある。
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た電気二重層キャパシタ電池である。
図示していないが、主蓄電装置４の容量を増大させるため、必要に応じて電気二重層キャパシタセル４１，４２，４３，……の直列回路を複数、並列接続することも行われる。
【０００４】
図１０に示したものはシリーズハイブリッド方式の電気自動車であり、エンジン１及び発電機２により発生させた電力の一部または全部を使用して主蓄電装置４を充電する。そして、エンジン１及び発電機２により発生させた電力と主蓄電装置４の電力とを用いて、インバータ５を介し電動機６により車両を駆動する。
更に、発電機２及び主蓄電装置４の電力、または主蓄電装置４の電力のみを用いて、インバータ５を介し電動機６により車両を駆動する。
制動時は、電動機６から発生した制動電力を、インバータ５を介して主蓄電装置４に回生する。
発電機を搭載せずに主蓄電装置の電力のみを用いて車両を駆動する電気自動車の電気システムは、図１０においてエンジン１、発電機２及び整流器３が無いシステムと同じ構成であるため、詳述を省略する。
【０００５】
前述したように、主蓄電装置４は車両の加速時及び定速走行時には放電、制動時には充電の繰り返し動作となり、その回数は数万回にも達する。電気自動車用の主蓄電装置は、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。前述した電気二重層キャパシタ電池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うことができる。
図１０に示した主蓄電装置４も、従来の化学二次電池を多数直列接続してなる組電池と同様に、電気二重層キャパシタセル４１，４２，４３，……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を電気二重層キャパシタ電池に置き替えたシステムとなっている。
【０００６】
さて、電気二重層キャパシタセルの蓄積エネルギはキャパシタセルの電圧の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、放電エネルギの増大に応じて電気二重層キャパシタセルの電圧は低下して行く。エネルギの７５％を放電すると、電圧は１／２に低下する。図１０に示す電気システムでは、放電電力によってインバータ５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、実際には、図１１に示すように電気二重層キャパシタ電池としての主蓄電装置４とインバータ５との間にチョッパ４４を挿入し、このチョッパ４４の動作によりインバータ５の入力電圧を一定にする方法がとられている。
【０００７】
図１２は、図１１のチョッパ４４の詳細な回路構成を示したもので、電流双方向形（電流２象限）昇降圧チョッパの回路例である。図１２において、図１０、図１１と同一構成要素は同一番号を付してある。
図１２において、４４１，４４２はトランジスタからなる半導体スイッチ、４４３，４４４は半導体スイッチ４４１，４４２に逆並列接続されたダイオード、４４５は電流平滑リアクトル、４４６，４４７はフィルタコンデンサである。
【０００８】
車両の加速時及び定速走行時は、主蓄電装置（電気二重層キャパシタ電池）４の電圧はインバータ５の入力電圧より低下するので、チョッパ４４を主蓄電装置４側から見て昇圧チョッパとして動作させる。この場合、半導体スイッチ４４１をスイッチングし、半導体スイッチ４４２をオフする。
図１３は、この昇圧チョッパの等価回路であり、図１２における半導体スイッチ４４２及びダイオード４４３を除去した構成となる。
【０００９】
次に、回生制動時の動作を述べる。回生制動時は、インバータ５の入力電圧が主蓄電装置４より高いので、チョッパ４４をインバータ５側から見て降圧チョッパとして動作させる。この場合、半導体スイッチ４４２をスイッチングし、半導体スイッチ４４１をオフする。
図１４は、この降圧チョッパの等価回路であり、図１２における半導体スイッチ４４１及びダイオード４４４を除去した構成となる。
【００１０】
次に、図１５は図１１のチョッパ４４の動作を説明する図である。モードＩは加速・定速走行時、モードＩＩは惰行時、モードＩＩＩは回生制動時の動作を示す。  加速・定速走行時（モードＩ）は、主蓄電装置４が放電するので電圧Ｖｃは減少するが、チョッパ４４の昇圧動作（主蓄電装置４側から見て）により、インバータ５の入力電圧Ｖｉは一定に保たれる。この間、チョッパ４４の電流Ｉｃ（図１２におけるリアクトル４４５の電流）は、主蓄電装置４の電圧低下に伴って増大する。
【００１１】
回生制動時（モードＩＩＩ）には、チョッパ４４の降圧動作（インバータ５側から見て）により、チョッパ４４の入力電圧を一定に保ちながら、回生電力を主蓄電装置４に供給して充電する。この間、チョッパ４４の電流Ｉｃは、主蓄電装置４の電圧上昇に伴って減少する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、電気二重層キャパシタ電池は化学二次電池と異なり、蓄積エネルギが電圧の２乗に比例する。すなわち、蓄積エネルギの変化でキャパシタ電圧が大きく変動する。このため、図１１に示した従来のシステムでは、電気二重層キャパシタ電池からなる主蓄電装置４の出力側に電流双方向形昇降圧チョッパ４４を接続し、あたかも主蓄電装置４の電圧が一定であるようにしている。
このようなチョッパ方式の場合、図１２に示したごとくチョッパ４４には電流平滑リアクトル４４５が必須である。更に、図１５から明らかなように、リアクトル４４５を流れる電流Ｉｃは主蓄電装置４の電圧Ｖｃに反比例するので、主蓄電装置４の電圧Ｖｃが半減するとリアクトル４４５の電流Ｉｃは２倍にもなる。
【００１３】
このチョッパ４４の最大動作電圧はインバータ５と同じであり、最大動作電流はインバータ５より大きくなるので、チョッパ４４の電力変換容量はインバータ５より大きくなる。
一方、電気自動車用の場合、車載機器はできるだけ小形・軽量、高効率であることが強く求められるので、電気自動車の主蓄電装置として電気二重層キャパシタ電池を使用する場合、このチョッパの小形・軽量化、高効率化が大きな課題となっていた。
【００１４】
前述のように、電気二重層キャパシタ電池は従来の化学二次電池と異なり、電池電圧が電池の使用状態に応じて大きく変化する。化学二次電池の場合の放電終止に相当する放電状態では、キャパシタ電池の電圧はほぼ零となってしまう。このため、電気二重層キャパシタ電池を使用する場合、電圧がほぼ零からの充電（初期充電）を容易に行えることが望ましい。
【００１５】
図１０に示した従来の電源システムでは、主蓄電装置４の電圧がほぼ零からの充電（初期充電）または規定値以下からの充電（予備充電）は、車載のエンジン発電機から行うことができない。これは、エンジン１はアイドリング回転数以下では回転できないため、整流器３の出力電圧の最小値が決まってしまい、主蓄電装置４の電圧が規定値以上でないと充電できないためである。従ってこの場合には、図１６に示すように外部電源を使用して充電している。
すなわち図１６において、２００は主蓄電装置４に接続された外部の充電用電源装置である。この充電用電源装置２００の詳細な構成は本発明の要旨ではないため、ここでは説明を省略する。
以上のように従来の電源システムでは、初期充電等に当たって外部の充電用電源装置が必要であり、充電作業が煩わしいという問題があった。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、請求項１記載の発明は、車載エンジン発電機及び車載主蓄電装置の電力、または、車載主蓄電装置の電力により電力変換器を介し車両駆動電動機を駆動する電気自動車において、前記主蓄電装置を、電気二重層キャパシタセルを複数個直列接続してなる少なくとも２個の電池ブロックと、これらの電池ブロック間に接続されたチョッパとから構成すると共に、前記チョッパの制御により、前記主蓄電装置の電圧を負荷の大小に応じて可変とするものである。
また、請求項２記載の発明は、前記電力変換器に対して、主蓄電装置を複数、並列に接続したものである。
更に、請求項３記載の発明は、前記チョッパが電流双方向形昇降圧チョッパであることを特徴とし、請求項４記載の発明は、前記電池ブロックを、接続ケーブルまたは前記チョッパを介して車載の補助蓄電装置の電力により初期充電するものである。
【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。まず、図１は本発明の第１実施形態であり、請求項１，３に記載した発明の実施形態に相当する。図１０と同一の構成要素は同一の番号を付してある。
図１において、４０は前述の主蓄電装置４に相当する主蓄電装置であり、電気二重層キャパシタ電池ブロック１０，１１と、これらの電池ブロック１０，１１の間に接続された電流双方向形昇降圧チョッパ１２とから構成されている。なお、電池ブロック１０，１１は何れも電気二重層キャパシタセル１００，１１０を複数、直列接続して構成されている。図示されていないが、各電池ブロックは、複数の電気二重層キャパシタセルの直列回路をそれぞれ複数、並列接続して構成しても良い。
前記電池ブロック１１の両端には、ＤＣ−ＤＣコンバータ７及びインバータ５が互いに並列に接続されている。
【００１８】
チョッパ１２は電流二象限動作により電池ブロック１０，１１の相互間で昇降圧可能となっている。このチョッパ１２の構成及び動作については後述する。
【００１９】
図２は本発明の第２実施形態であり、請求項２の発明の実施形態に相当する。図１と同一構成要素は同一番号を付してある。
この実施形態は、図１に示した主蓄電装置をインバータ５に対して並列接続した例であり、図２における４０ａ，４０ｂは図１の主蓄電装置４０と同一の構成である。
【００２０】
図３は本発明の第３実施形態であり、請求項１の発明の実施形態を図１０に示したシリーズハイブリッド方式の電気自動車に適用した場合の実施形態に相当する。図３において、図１や図１０と同一の構成要素は同一番号を付してあり、図１０における主蓄電装置４を主蓄電装置４０に置き換えた構成となっている。
【００２１】
次に、図４は図１〜図３におけるチョッパ１２の詳細な構成を示した回路図である。なお、図１〜図３に示したＤＣ−ＤＣコンバータ７及び補助蓄電装置８は図示を省略してある。
図４に示したチョッパ１２の回路構成は請求項３に記載した発明の実施形態に相当し、電流双方向形の昇降圧チョッパとなっている。
【００２２】
図４において、１２１〜１２４は半導体スイッチ部、１２５は半導体スイッチ部１２１，１２２の相互接続点と半導体スイッチ部１２３，１２４の相互接続点との間に接続された電流平滑リアクトル、１２６，１２７は電池ブロック１０，１１にそれぞれ並列接続されるフィルタコンデンサである。前記半導体スイッチ部１２１〜１２４は、トランジスタからなる半導体スイッチ１２１ａ〜１２４ａとこれらに逆並列接続されたダイオード１２１ｂ〜１２４ｂとから構成されている。
【００２３】
次いで、図５は、図１の回路構成において電池ブロック１０を一定電力で放電させた時の主蓄電装置４０の電圧の挙動を示したものである。図５において、ａは主蓄電装置４０の電圧、ｂは電池ブロック１０の電圧を示す。また、ｃは図１０の従来方式における主蓄電装置４の電圧を示す。
【００２４】
図５におけるモードＩは、チョッパ１２を昇圧動作させて、電力を一方の電池ブロック１０から供給し、主蓄電装置４０全体の出力電圧を一定に保つ運転域である。また、モードＩＩは、チョッパ動作を停止して、電力を他方の電池ブロック１１から供給する運転域を示す。
【００２５】
図６は、図５の動作モードＩ，ＩＩに対応した動作を示した図であり、（ａ）は図５のモードＩの電力の流れを、（ｂ）は図５のモードＩＩの電力の流れをそれぞれ矢印で示してある。動作モードＩに対応する図６（ａ）では、電池ブロック１０の有する電力がチョッパ１２を介してインバータ５側に供給され、動作モードＩＩに対応する図６（ｂ）では、電池ブロック１１の有する電力が直接、インバータ５側に供給される。図５に示したように、動作モードＩでは電池ブロック１０の電圧（特性ｂ）は次第に低下するが、チョッパ１２の昇圧動作により、主蓄電装置４０全体としての出力電圧（特性ａ）は一定値を保っている。また、動作モードＩＩでは、電池ブロック１１の電圧低下に伴って主蓄電装置４０の出力電圧（特性ａ）も次第に低下することとなる。
なお、電池ブロック１０，１１から同時に電力を供給することも可能であり、この場合の電力の流れを図６（ｃ）に矢印で示す。
【００２６】
図７は図４に示したチョッパ１２の詳細な動作説明図であり、図４と同一構成要素は同一番号を付してある。回路構成要素の番号は、煩雑になるのを避けるため図７（ａ）だけに付すこととし、（ｂ），（ｃ），（ｄ）については省略する。
【００２７】
図７（ａ）は、チョッパ１２を昇圧動作させて電池ブロック１０から電池ブロック１１側へ電力を供給する場合であり、半導体スイッチ１２１ａがオン、半導体スイッチ１２２ａ，１２３ａがオフ、半導体スイッチ１２４ａがスイッチングする。半導体スイッチ１２４ａをオンした時の電流通路を実線で、オフした時の電流通路を破線で示してある。
【００２８】
図７（ｂ）は、チョッパ１２を降圧動作させて電池ブロック１１から電池ブロック１０側へ電力を供給する場合であり、半導体スイッチ１２１ａ，１２２ａ，１２４ａがオフ、半導体スイッチ１２３ａがスイッチングする。半導体スイッチ１２３ａをオンした時の電流通路を実線で、オフした時の電流通路を破線で示してある。
【００２９】
図７（ｃ）は、チョッパ１２を降圧動作させて電池ブロック１０から電池ブロック１１側へ電力を供給する場合であり、半導体スイッチ１２２ａ，１２３ａ，１２４ａがオフ、半導体スイッチ１２１ａがスイッチングする。半導体スイッチ１２１ａをオンした時の電流通路を実線で、オフした時の電流通路を破線で示してある。
【００３０】
図７（ｄ）は、チョッパ１２を昇圧動作させて電池ブロック１１から電池ブロック１０側へ電力を供給する場合であり、半導体スイッチ１２３ａがオン、半導体スイッチ１２１ａ，１２４ａがオフ、半導体スイッチ１２２ａがスイッチングする。半導体スイッチ１２２ａをオンした時の電流通路を実線で、オフした時の電流通路を破線で示してある。
【００３１】
更に、図１に示した電源システムでは、チョッパ１２の制御によって主蓄電装置４０の電圧を可変にすることが可能である。
車両が都市内の平坦路を定速走行する場合の走行電力は、最大出力の１／１０程度である。電気自動車の場合、このような運転域でもパワートレインの効率が高いことが望まれる。このような運転域で効率を高める有効な手段の一つとして、インバータの入力電圧を下げることが考えられる。
【００３２】
図８は、上記の点に着目した本発明の動作説明図である。
図８において、負荷の大小（走行電力の大小）に応じて予め設定されたインバータ５の入力電圧に対し、チョッパ１２を昇降圧動作させて電池ブロック１１の電圧を変化させ、これによってインバータ５の入力電圧を設定値に保つ。例えば、加速時のようにインバータ５の電圧（電池ブロック１１の電圧）を高く保つ場合には、放電によってその電圧が初期電圧から次第に低下する電池ブロック１０側から見てチョッパ１２を昇圧動作させ、電池ブロック１１の電圧を所定値まで上昇させる。回生制動時には、電池ブロック１１側から見てチョッパ１２を降圧動作させ、電池ブロック１０を充電する。
【００３３】
図９は、本発明の第４実施形態を示す回路構成図である。この実施形態は、電池ブロック１０，１１をチョッパ１２により初期充電するための構成である。
電池ブロック１０の電圧がほぼ零の時、一方の電池ブロック１０と補助蓄電装置８とを接続ケーブル３００によって接続する。この接続ケーブル３００には、従来のエンジン自動車に使用されているブースターケーブルを用いることができる。
【００３４】
補助蓄電装置８と電池ブロック１０とを接続ケーブル３００により接続し、電池ブロック１０を補助蓄電装置８の電圧に充電する。この時の充電電流は、電池ブロック１０と補助蓄電装置８との内部抵抗及び接続ケーブル３００の抵抗によって制限された電流となり、補助蓄電装置８、電池ブロック１０共に許容される値となる。
電池ブロック１０の電圧が規定値（チョッパ１２の制御動作が可能となる電圧）に達したら、電池ブロック１０側から見てチョッパ１２を昇圧動作させ、補助蓄電装置８により他方の電池ブロック１１を充電すればよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、主蓄電装置を動力源とする一般の電気自動車またはハイブリッド電気自動車の主蓄電装置として、電気二重層キャパシタセルを直列接続した電池ブロックを複数備え、これらのブロック間を電流双方向形昇降圧チョッパにより接続すると共に、このチョッパの動作により電池ブロック間の電力の授受を行うようにしたので、次の効果が期待される。
【００３６】
（１）電気二重層キャパシタ電池を使用した小形・軽量かつ長寿命な主蓄電装置の実現が可能となり、ハイブリッド形を含む種々の実用的な電気自動車を提供することができる。
（２）前記チョッパにより、主蓄電装置の電圧を可変にしてシステム効率の高い電圧で運転できるので、燃費向上が可能になる。
【００３７】
なお、前記実施形態では本発明をシリーズハイブリッド電気自動車に適用した場合を説明したが、本発明は、主蓄電装置のみを動力源とする電気自動車やパラレルハイブリッド電気自動車、主蓄電装置以外に燃料電池を備えた電気自動車等、種々の電気自動車の電源システムに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す回路構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す回路構成図である。
【図３】本発明の第１実施形態をシリーズハイブリッド電気自動車に適用した場合の構成例である。
【図４】図１〜図３におけるチョッパの詳細な回路構成図である。
【図５】図１〜図４における主蓄電装置及び電池ブロックの電圧の挙動を示す図である。
【図６】図５の動作モードに応じた動作説明図である。
【図７】図４に示したチョッパの詳細な動作説明図である。
【図８】本発明の動作説明図である。
【図９】本発明の第４実施形態を示す回路構成図である。
【図１０】従来技術としてのシリーズハイブリッド電気自動車の電源システムを示す図である。
【図１１】従来技術としてのシリーズハイブリッド電気自動車の電源システムを示す図である。
【図１２】図１１のチョッパの詳細な回路構成図である。
【図１３】図１２の等価回路図である。
【図１４】図１２の等価回路図である。
【図１５】図１１のチョッパの動作説明図である。
【図１６】従来技術としてのシリーズハイブリッド電気自動車の初期充電システムの構成図である。
【符号の説明】
１  エンジン
２  発電機
３  整流器
５  インバータ
６  車両駆動電動機
７  ＤＣ−ＤＣコンバータ
８  補助蓄電装置
９  補機
１０，１１  電気二重層キャパシタ電池ブロック
１２  電流双方向形昇降圧チョッパ
４０  主蓄電装置
１００，１１０  電気二重層キャパシタセル
１２１，１２２，１２３，１２４  半導体スイッチ部
１２１ａ，１２２ａ，１２３ａ，１２４ａ  半導体スイッチ
１２１ｂ，１２２ｂ，１２３ｂ，１２４ｂ  ダイオード
１２５  電流平滑リアクトル
１２６，１２７  フィルタコンデンサ
３００  接続ケーブル
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0003552087.tif 000013
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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