(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の第１の蓄電装置の電力、または、前記蓄電装置の電力により電力変換器を介して車両駆動用電動機を駆動する電気自動車の電源システムにおいて、
前記蓄電装置の片方又は両方の極の出力端子と、前記電力変換器の直流端子との間に電圧可変形蓄電装置を直列接続し、前記蓄電装置の電圧と電圧可変形蓄電装置の端子電圧とを加算した前記電力変換器の入力電圧が一定となるように前記電圧可変形蓄電装置の端子電圧を変化させ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、
前記第１の蓄電装置を電気二重層キャパシタ電池により構成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、
前記電圧可変形蓄電装置を、第２の蓄電装置と直流−直流電力変換器とにより構成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４】
請求項３記載の電気自動車の電源システムにおいて、
前記第２の蓄電装置を電気二重層キャパシタ電池により構成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５】
請求項３または４記載の電気自動車の電源システムにおいて、
前記直流−直流電力変換器を電流双方向形昇降圧チョッパにより構成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６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気自動車の電源システムにおいて、
前記第１の蓄電装置と電圧可変形蓄電装置との組み合わせを複数組備えてそれらを互いに並列接続した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、主蓄電装置を備えた電気自動車またはハイブリッド電気自動車の電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１１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、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。図１１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であるところ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。
【０００３】
７は補助蓄電装置８を充電するＤＣ−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いる。
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１１に示したのはシリーズハイブリッド式の電気自動車であり、エンジン１および発電機２で発生し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、発電機２および主蓄電装置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１１においてエンジン１、発電機２および整流器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は車両の加速時および定速走行時には放電、制動時には充電の繰り返し作動となり、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１１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換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電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１１に示す電気システムでは、放電電力によってインバータの入力電圧が大きく変化する。
【０００７】
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１２に示すように電気二重層キャパシタセル４１，４２，４３，……からなる主蓄電装置４とインバータ５との間にチョッパ４４を挿入して、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。
【０００８】
図１３は、図１２のチョッパ４４の回路構成例を示したもので、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１１、１２と同一構成要素は同一番号を付してある。図１３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。
【０００９】
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作動させる。この場合、半導体スイッチ４４１をスイッチング、半導体スイッチ４４２はオフする。図１４は、この場合の昇圧チョッパの等価回路であり、図１３における半導体スイッチ４４２およびダイオード４４３を除去した構成となる。
【００１０】
次に、回生制動の動作を述べる。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をインバータ側から見て降圧チョッパとして作動させる。この場合、半導体スイッチ４４２をスイッチング、４４１をオフする。図１５は、この場合の降圧チョッパの等価回路であり、図１３における半導体スイッチ４４１およびダイオード４４４を除去した構成となる。
【００１１】
次に、図１６は図１２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は低下するが、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。
【００１２】
この間、チョッパ４４の電流Ｉｃ（図１３におけるリアクトル４４５の電流）は、主蓄電装置４の低下に伴って増大する。回生制動時（モードＩＩＩ）には、チョッパ４４の降圧チョッパ動作（インバータ側から見て）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の電圧の上昇に伴って減少する。
【００１３】
【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１２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チョッパを接続して、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１３に示したようにチョッパ４４には電流平滑用リアクトル４４５が必須である。更に、図１６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。
【００１４】
チョッパ４４の装置容量は、チョッパの入力側からみると、入力の最大電圧と最大電流の積である。図１１の場合、入力電圧の最大は主蓄電装置４の最大電圧に等しく、入力電流の最大は主蓄電装置４の電圧を最大電圧の１／２まで使用したときであり、インバータの最大電流の２倍になる。この場合、チョッパの装置容量はインバータ容量の２倍となってしまう。
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。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、請求項１記載の発明は、第１の蓄電装置の片方又は両方の極の出力端子と、前記電力変換器の直流端子との間に電圧可変形蓄電装置を直列接続し、前記蓄電装置の電圧と電圧可変形蓄電装置の端子電圧とを加算した前記電力変換器の入力電圧が一定となるように前記電圧可変形蓄電装置の端子電圧を変化させるものである。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の電気自動車の電源システムにおいて、第１の蓄電装置を電気二重層キャパシタ電池により構成したものである。
請求項３記載の発明は、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、電圧可変形蓄電装置を、第２の蓄電装置と直流−直流電力変換器とにより構成したものであり、請求項４に記載するように、第２の蓄電装置を電気二重層キャパシタ電池により構成することが望ましい。
また、請求項５記載の発明は、請求項３または４記載の電気自動車の電源システムにおいて、直流−直流電力変換器を電流双方向形昇降圧チョッパにより構成したものである。
更に、請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気自動車の電源システムにおいて、第１の蓄電装置と電圧可変形蓄電装置との組み合わせを複数組備えてそれらを互いに並列接続したものである。
【００１６】
【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、２に記載した発明の実施形態に相当する。図１１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、第１の蓄電装置としてのキャパシタ電池１０と、電流双方向形電圧可変蓄電装置１１とから構成されている。キャパシタ電池１０は、キャパシタセル１００を複数個直列に接続したもの、あるいは、これらをさらに複数個並列に接続して構成されている。このキャパシタ電池１０の正極端子とインバータ５の正極端子間に電流双方向形電圧可変蓄電装置１１が接続されている。
【００１７】
図２は本発明の第２実施形態であり、請求項１、２に記載した発明の実施形態に相当する。図１と同一の構成要素は同一の番号を付してある。
この実施形態は、１対の電流双方向形電圧可変蓄電装置１１ａ，１１ｂをキャパシタ電池１０の両端子とインバータ５の両端子間に接続したものである。
【００１８】
図３は図１の実施形態の電流双方向形電圧可変蓄電装置を詳細に示したものであり、請求項３、４、５に記載した発明の実施形態に相当する。図１と同一の構成要素は同一の番号を付してある。
図３において、電流双方向形電圧可変蓄電装置１１は、直流−直流電力変換器であるところの電流双方向形昇降圧チョッパ１１０と、電気二重層キャパシタ電池１１１とから構成されている。なお、図１に示した電動機６、ＤＣ−ＤＣコンバータ７、補助蓄電装置８は図示を省略してある。ここで電気二重層キャパシタ電池１１１は図示しないが、キャパシタ電池１０と同じくキャパシタセルを複数個直列接続したもの、あるいはこれをさらに並列接続したものとする。
【００１９】
図３では、電流双方向形電圧可変蓄電装置１１をキャパシタ電池１０の正極端子とインバータ５の正極端子間の片側に設置したが、図２と同様に、キャパシタ電池１０の負極端子とインバータ５の負極端子間にも設置可能である。
図４は、図３における電流双方向形昇降圧チョッパ１１０の詳細な構成を示した回路図である。図１〜３と同一構成要素は同一番号を付してある。
【００２０】
図４において、電流双方向形昇降圧チョッパ１１０は、電圧平滑コンデンサ１１０ｅを介して互いに接続された単相インバータ１１０ａ，１１０ｂとから構成されている。単相インバータ１１０ａは、キャパシタ電池１０とインバータ５からなる電源側と、リアクトル１１０ｃを介して接続され、単相インバータ１１０ｂは、電気二重層キャパシタ１１１側とリアクトル１１０ｄを介して接続されている。単相インバータ１１０ａ，１１０ｂの制御は公知であり、ここではそれら単相インバータ１１０ａ，１１０ｂの制御が主題ではないのでその詳述は省略する。
【００２１】
図５は、図１において車両が力行動作する場合の動作を説明する図であり、図１と同一構成要素は同一番号を付してある。同図において、Ｖｓはキャパシタ電池１０の端子電圧、Ｖｉはインバータ５の直流入力電圧、Ｖｃは電流双方向形電圧可変蓄電装置１１の端子電圧を各々示している。図では、キャパシタ電池１０が放電動作をして、キャパシタ電池１０の電力でインバータ５を介して車両駆動電動機（図示せず）を駆動しているため、電流は矢印に示した方向に流れ、放電時間と共にキャパシタ電圧Ｖｓは低下する。
【００２２】
ここで、インバータ５の入力電圧Ｖｉを、キャパシタ電池１０の電圧Ｖｓと電流双方向形電圧可変蓄電装置１１の端子電圧Ｖｃの和として、キャパシタ電池１０の電圧Ｖｓの変動を電流双方向形電圧可変蓄電装置１１の端子電圧Ｖｃが補償するようにすると、インバータ５の入力電圧Ｖｉは一定に保たれる。即ち、キャパシタ電池１０の電圧Ｖｓが設定されたインバータ電圧Ｖｉより高ければ、電流双方向形電圧可変蓄電装置１１の端子電圧Ｖｃを、キャパシタ電池１０の電圧Ｖｓの極性に対して負にする。この負の部分が、図中の時間Ｔ０〜Ｔ１までのＡ部の動作に相当する。
【００２３】
また、反対に電圧Ｖｓが、設定されたインバータ電圧Ｖｉより低くなれば、端子電圧Ｖｃを正にする。この正の部分が、図中の時間Ｔ１〜Ｔ２までのＢ部の動作に相当する。
なお、時間Ｔ１では、キャパシタ電池１０の電圧Ｖｓがインバータ５の直流入力電圧Ｖｉの設定電圧と等しくなるので、電流双方向形電圧可変蓄電装置１１の電圧Ｖｃは零となる。
【００２４】
図６は、図１において、回生制動する場合の動作を説明する図であり、図５と同一構成要素は同一番号を付してある。図では、電流方向が図５の場合と反対となる。この場合も、図５の場合と同様に、インバータ５の直流入力電圧Ｖｉを一定に保つため、キャパシタ電池１０の電圧Ｖｓに応じて、電流双方向形電圧可変蓄電装置１１の端子電圧Ｖｃが変化する。
【００２５】
図７は、図５の場合の動作に加えて、電圧可変蓄電装置１１内の電気二重層キャパシタ電池１１１も含めた動作説明図である。以下、同図により説明する。図７において各電圧Ｖｓ，Ｖｃ，Ｖｉは図５と同じである。Ｖｃｓは電気二重層キャパシタ電池１１１の電圧である。先ず、力行開始時の時間Ｔ０では、電圧Ｖｃｓは零である。次いで、時間Ｔ１１，Ｔ１２はＶｃｓとＶｃとが一致する。すなわち、モード１の時間Ｔ０〜Ｔ１１の区間では、Ｖｃ＞Ｖｃｓであるのでチョッパ１１０は、キャパシタ電池１０・インバータ５側から見て、充電・降圧動作となる。
【００２６】
モード２の時間Ｔ１１〜Ｔ１の区間では、Ｖｃｓ＞Ｖｃとなるのでチョッパ１１０は、同様に、充電・昇圧動作となる。Ｔ１では、Ｖｓ＝Ｖｉとなるので、Ｖｃ＝０となる。モード３の時間Ｔ１〜Ｔ１２の区間では、Ｖｃの電圧極性は反転し、その値は時間の経過とともに増加する。この間のチョッパ１１０の動作は放電・昇圧動作となる。モード４のＴ１２〜Ｔ２の区間では、Ｖｃ＞Ｖｃｓであるので、チョッパは放電・降圧動作となる。
【００２７】
図８は図１に示したキャパシタ電池１０が内蔵の切替スイッチによって、キャパシタ電池セルの直並列接続を切替える蓄電装置の場合のその回路構成と動作を説明する図である。図５と同一構成要素は同一番号を付してある。図では、力行動作の場合について示してある。図において、１０ａは複数のキャパシタ電池ブロックで構成される電気二重層キャパシタ電池である。１０ｂはキャパシタ電池ブロックの回路を切替える切替スイッチ回路である。ここではこのキャパシタ電池１０ａとスイッチ回路１０ｂの構成の説明は省略する。
【００２８】
図８において、モード１は図７に示した動作Ｔ０からＴ２までの動作と同じであるので説明を省略する。モード１の終了時（Ｔ１）に、キャパシタ電池１０ａの電圧Ｖｓが動作下限値まで低下すると、切替スイッチ回路１０ｂを作動させて、キャパシタ電池ブロックの回路を切替え、電圧Ｖｓを初期値まで戻す。以後、モード２としてモード１と同一の動作を繰り返す。
【００２９】
ここでＴ２に達して、再び電圧Ｖｓが動作下限値まで低下すると、再度、切替スイッチ回路１０ｂを作動させてキャパシタ電池ブロックの回路を切替え、電圧Ｖｓを初期値まで戻し、モード３としてモード１と同一の動作をする。なお、図８は、力行モードについて説明したが、回生制動時の場合は、図８の逆方向の動作となり、電圧Ｖｓが動作上限値に達するごとにキャパシタ電池ブロックの回路を切替えていく動作となる。
【００３０】
図９は、本発明の第３実施形態を示すもので、請求項６に記載した発明の実施形態に相当する。図９の回路構成は、図１に示した主蓄電装置４０を並列接続した回路構成である。図１と同一の回路構成要素は同一番号を付してある。４０ａ，４０ｂは図１の主蓄電装置４０に相当する主蓄電装置である。
【００３１】
図１０は、車載エンジン発電機を動力源としたハイブリッド電気自動車に、本発明を適用した場合の回路構成を示したものである。図１０では、図１の構成に、エンジン１、発電機２および整流器３を増設したものであり、各部の構成および動作については、図１および図１１の説明と共通するので、それらの説明は省略する。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、電気二重層キャパシタセルを直列接続したキャパシタ電池の出力に、電気二重層キャパシタ電池と電流双方形昇降圧チョッパとで構成した電圧可変形蓄電装置を接続して、電気自動車又はハイブリッド電気自動車の電源システムとしたことで、次の効果が得られる。
（１）電気二重層キャパシタ電池を使用した小形・軽量で長寿命な電気自動車の主蓄電装置の実現が可能となり、実用的な電気自動車及びハイブリッド自動車が実現できる。
【００３３】
（２）電圧可変形蓄電装置により、インバータ入力電圧を一定にして、システム効率の高い運転を可能にすることで、燃費向上を図ることができる。
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も適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す電気自動車の電源システムの構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す電気自動車の電源システムの構成図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の電源システムの詳細構成図である。
【図４】図３の電流双方向形電圧可変蓄電装置の回路構成図である。
【図５】図１の動作の説明図である。
【図６】図１の動作の説明図である。
【図７】図３の動作の説明図である。
【図８】図３の他の動作の説明図である。
【図９】本発明の第３の実施形態を示す図である。
【図１０】図１の実施形態を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１１】従来例の電気システムを示す図である。
【図１２】他の従来例の電気システムを示す図である。
【図１３】図１２の詳細な説明図である。
【図１４】図１２の動作説明図である。
【図１５】図１２の動作説明図である。
【図１６】図１２の動作説明図である。
【符号の説明】
１  エンジン
２  発電機
３  整流器
４  主蓄電装置
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
１０，１０ａ，１１１  電気二重層キャパシタ電池
１０ｂ  切替スイッチ回路
１１，１１ａ，１１ｂ  電流双方向形電圧可変蓄電装置
４０，４０ａ，４０ｂ  主蓄電装置
１００  電気二重層キャパシタセル
１１０  電流双方向形昇降圧チョッパ
１１０ａ，１１０ｂ  単相インバータ
１１０ｃ，１１０ｄ  リアクトル
１１０ｅ  電圧平滑コンデンサ
【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】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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