(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池及びコンデンサの直列回路と、
出力端がモータに結合された第１電力変換器と、
該第１電力変換器の入力端を上記電池の両端又は上記直列回路の両端に選択的に結合させるスイッチ回路と、
入力端が上記モータに結合され、出力端が上記コンデンサを充電可能に結合された第２電力変換器と、
上記第１電力変換器、上記第２電力変換器及び上記スイッチ回路を制御する制御回路とを具え、
該制御回路は、上記モータの力行時に、上記モータが必要とする電力に応じて上記スイッチ回路の導通及び非導通を制御し、モータが要求する電力に対して上記コンデンサから得る電力と電池の電力との割合を調整することを特徴とするモータ駆動用電源装置。
【請求項２】
電池及びコンデンサの直列回路と、
第１入出力端の一方が第１スイッチ回路を介して上記電池の上記コンデンサとは反対側の端部に結合され、第２入出力端がモータに結合された第１電力変換器と、
該第１電力変換器の上記第１入出力端の他方を上記電池の他端又は上記コンデンサの上記電池とは反対側の端部に選択的に結合させる第２スイッチ回路と、
入力端が上記第１電力変換器の上記第１入出力端に結合され、出力端が上記コンデンサを充電可能に結合された第２電力変換器と、
上記第１スイッチ回路、上記第２スイッチ回路、上記第１電力変換器及び上記第２電力変換器を制御する制御回路とを具え、
該制御回路は、上記モータの力行時に、上記第１スイッチ回路を閉じ、上記モータが必要とする電力に応じて上記第２スイッチ回路の導通及び非導通を制御し、モータが要求する電力に対して上記コンデンサから得る電力と電池の電力との割合を調整することを特徴とするモータ駆動用電源装置。
【請求項３】
電池及びコンデンサの直列回路と、
第１入出力端が上記直列回路の両端にスイッチ回路を介して結合され、第２入出力端がモータに結合された第１電力変換器と、
入力端が上記第１電力変換器の上記第１入出力端に結合され、出力端が上記コンデンサを充電可能に結合され、上記入力端及び上記出力端の間が絶縁された第２電力変換器と、
上記スイッチ回路、上記第１電力変換器及び上記第２電力変換器を制御する制御回路とを具え、
該制御回路は、上記モータの力行時に、上記スイッチ回路を閉じ、上記モータが必要とする電力に応じて上記第２電力変換器を制御し、モータが要求する電力に対して上記コンデンサから得る電力と電池の電力との割合を調整することを特徴とするモータ駆動用電源装置。
【請求項４】
電池及びコンデンサの直列回路と、
入力端が上記直列回路の両端に結合され、出力端がモータに結合された第１電力変換器と、
入力端が上記モータに結合され、出力端が上記コンデンサを充電可能に結合されたＤＣ／ＤＣコンバータから成る第２電力変換器と、
上記第１電力変換器及び上記第２電力変換器を制御する制御回路とを具え、
該制御回路は、上記モータの力行時に、上記モータが必要とする電力に応じて上記第２電力変換器を制御し、モータが要求する電力に対して上記コンデンサから得る電力と電池の電力との割合を調整することを特徴とするモータ駆動用電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ駆動用電源装置、特に、電気自動車、電気スクータ、電気自転車等の動力用モータを駆動するのに適した電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車、電気スクータ、電気自転車用の動力用モータを駆動する電源装置としては、電池及びコンデンサを並列接続し、この並列回路からの出力を電力変換器を介してモータに供給するハイブリッド電源装置が従来から多数提案されている。この場合、モータの負荷変動に応じて、コンデンサは、短時間ながら大電力をモータに供給する機能を果たし、電池は、小電力ながら長時間にわたって平均電力をモータへ供給する機能を果たす。これは、電池のピーク負荷を減らし、電池の寿命を延長すると共に、実質的に電力容量を拡大するためである。
【０００３】
かかる従来のモータ駆動用電源装置の一例を図８に示す。高電圧を発生するために直列接続された複数個の電池のグループ１０と、直列接続された複数個のコンデンサのグループ１２とは、マイナス（−）側が共通電位となり、プラス（＋）側が電流制御回路１４を介して並列接続されている。なお、電流制御回路１４は、電池グループ１０から過電流が流れるのを防止するためのものであり、電池グループ１０及びコンデンサ・グループ１２の並列回路からの電圧は、モータ駆動回路である電力変換器１６を介して直流モータ１８の両端に供給される。電力変換器１６は、チョッパ又はインバータであり、図示しない制御回路によりその動作が制御される。
【０００４】
電力変換器１６にチョッパを用いる場合の一例を図９に示す。入出力端子４０及び４２は、電力変換器１６の左側の２つの端子に対応し、入出力端子５４及び５６は、電力変換器１６の右側の２つの端子に対応する。端子４０及び４２間には、パワー・トランジスタ、絶縁ゲート・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などのトランジスタ４４及び４６のドレイン・ソース（又はコレクタ・エミッタ）が図示のように直列接続され、これらトランジスタのゲート（又はベース）が制御回路からの制御パルス信号を受ける。トランジスタ４４及び４６のコレクタ及びエミッタ間（又は、ドレイン及びソース間）には、ダイオード４８及び５０が逆極性に夫々接続され、これらダイオード４８及び５０の共通接続点がチョーク・コイル５２を介して端子５４に接続される。また、端子４０及び４２間には、スイッチング素子であるトランジスタの動作によって生じる電源の電圧変動を安定化させるために、電解コンデンサ４１を接続する。
【０００５】
モータ１８を回転駆動させる力行時には、電力変換器１６内のトランジスタ４６が常時非導通となり、トランジスタ４４が制御回路からの制御パルス信号に応じて導通及び非導通を繰り返す。よって、電力変換器１６は、電池グループ１０及びコンデンサ・グループ１２の並列回路からの電圧を制御パルス信号の導通及び非導通の時間比、即ち、衝撃係数に応じて降圧して、モータ１８に供給する。また、モータ１８への駆動電圧の供給を停止させる回生時には、モータ１８が発電機として機能する。この間、制御回路により、電力変換器１６内のトランジスタ４４が常時非導通に制御され、トランジスタ４６が制御回路からの制御パルス信号に応じて導通及び非導通を繰り返す。よって、電力変換器１６は、モータ１８が発電した電圧（回生電圧）を昇圧してコンデンサ・グループ１２を充電（蓄電）する。コンデンサ・グループ１２に充電したエネルギーをモータの力行時に再利用して、電源装置全体の効率を改善している。また、力行時には、制御パルス信号の衝撃係数に応じて電力変換器１６の降圧の程度を制御することにより、モータの回転速度や、トルク等を制御できる。
【０００６】
従来のモータ駆動用電源装置の他の例を図１０に示す。図８の従来技術との相違点は、電池グループ１０及びコンデンサ・グループ１２のプラス側を半導体スイッチ２０により、交互に高速で選択し、選択された電圧を電力変換器１６に供給する点である。なお、半導体スイッチ２０には、パワー・トランジスタ、絶縁ゲート・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などを利用でき、スイッチ制御回路２２で、スイッチ２０の高速切換を制御する。この従来技術も図８の場合と同様に、モータ１８の力行時には、電力変換器１６がスイッチ２０の出力電圧を降圧してモータ１８に供給する。また、モータ１８の回生時には、モータ１８の発電電圧を電力変換器１６が昇圧し、スイッチ２０を介してコンデンサ・グループ１２を充電する。この充電したエネルギー（蓄電エネルギー）は、図８の従来技術と同様に、モータの力行時に再利用される。
【０００７】
ところで、モータを駆動するための電力をコンデンサから得るには、コンデンサは、大容量でなければならない。しかし、大容量のコンデンサであっても、コンデンサの充電エネルギーは電池に比べると１桁以上小さいため、コンデンサに蓄積されたエネルギーを有効利用する必要がある。コンデンサの蓄電エネルギーを総て使用するということは、コンデンサの電圧がゼロになるまで使うということである。しかし、図８及び図１０に示した従来技術は、コンデンサ１２の電圧も用いて電力変換器１６によりモータ１８を駆動しているが、この駆動にはある程度以上の電圧が必要である。よって、コンデンサ１２の電圧がゼロになる前に、電力変換器１６及びモータ１８が動作しなくなるので、コンデンサ１２の蓄電エネルギーを使いきることができない。これは、コンデンサ１２の端子に昇圧回路を設けても、結局は同じであり、コンデンサ１２の蓄電エネルギーを使いきることができない。
【０００８】
また、大容量コンデンサの主流は、電気二重層コンデンサであるが、このコンデンサは、電解液の電気分解を防止するために、１セル当たりの電圧を１〜５ボルト程度にしかできない。よって、モータを駆動するためには、モータが必要とする電圧まで高くしなければならないので、複数個の電気二重層コンデンサを直列接続しなければならない。しかし、各コンデンサでの電圧のバランスの問題が生じる。この問題は、直列接続した総てのコンデンサを充電した後に、コンデンサが内部抵抗により自己放電するが、この自己放電のバラツキが非常に大きいことに起因する。このため、時間経過に伴って、あるコンデンサでは、その電圧がゼロ・ボルトになってしまう。この状態では、放電すると、ゼロ・ボルトのコンデンサが下限を守れなくなり、また、充電すると、別のコンデンサが上限を守れなくなるので、充電及び放電ができなくなってしまう。
【０００９】
そこで、上述のコンデンサの蓄電エネルギーを使いきれないという問題と、複数のコンデンサを直列接続した場合の問題を解決するために、図１１に示すモータ駆動用電源装置が提案されている。この電源装置では、モータ１８の力行時に、第１電力変換器２８が、電池２６及びコンデンサ２４の直列回路の電圧を降圧して、モータ１８に駆動電圧を供給する。また、モータ１８の回生時には、第２電力変換器３２が、モータ１８からの発電電圧を受けて降圧し、コンデンサ２４に充電電圧を供給する。なお、電力変換器２８及び３２の降圧動作は、制御回路３４からの制御パルス信号により制御する。また、コンデンサ２４の両端には、極性反転防止用ダイオード３６が接続されている。モータ１８の力行時にコンデンサ２４の放電が進むと充電電圧が低下し、ついには蓄電量がゼロになると極性が反転してしまうが、このダイオード３６は、コンデンサ２４の極性が反転しようとすると導通して、この極性反転を防止する。しかし、コンデンサ２４の極性が反転しない期間中は、ダイオード３６は非導通なので、電源装置の動作に影響しない。
【００１０】
この図１１に示すモータ駆動用電源装置によれば、コンデンサ２４及び電池グループ２６を直列接続しているので、コンデンサ２４の蓄電電圧が低下しても、直列回路全体の電圧は電力変換器２８及びモータ１８を駆動するのに十分な程高く、モータ１８の力行時にコンデンサ２４の蓄電エネルギーを完全にゼロになるまで使用できる。また、コンデンサ２４の電圧が電池グループ２６の電圧のように高い必要がなく、低くてもよいので、多数のコンデンサを直列接続する必要がない。よって、コンデンサの電圧のバランスの問題が小さくなり、大容量のコンデンサを低電圧仕様のまま使える。よって、コンデンサ２４として、安価な電気二重層コンデンサを使用できる。
【００１１】
なお、第１電力変換器２８及び第２電力変換器３２は、図８及び図１０の電力変換器１６と異なり、一方向の降圧による電力変換を行う。これら第１及び第２電力変換器の夫々が、チョッパ回路及びＤＣ／ＤＣコンバータの一方であるか、又は第１電力変換器がインバータで、第２電力変換器がＡＣ／ＤＣインバータである。一例として、チョッパの場合を図１２に示す。この図１２において、入力端５８及び出力端６８の間に、上述のトランジスタ４４又は４６と同様なトランジスタ６２と、チョーク・コイル６６の直列回路を接続し、これらトランジスタ６２及びコイル６６の共通接続点と、入力端６０及び出力端７０との間にダイオード６４を接続する。トランジスタ６２のゲート（又はベース）を制御回路３４からの制御パルス信号により制御して、このトランジスタ６２を交互に導通及び非導通として、制御パルス信号の衝撃係数に応じて、入力端５８及び６０間の電圧を降圧して、出力端６８及び７０間に出力する。なお、端子５８及び５９間には、スイッチング素子であるトランジスタの動作によって生じる電源の電圧変動を安定化させるために、電解コンデンサ５９を接続する。
【００１２】
【本発明が解決しようとする課題】
ところで、図１１に示す従来のモータ駆動用電源装置では、コンデンサ２４の電圧がゼロでない限り、モータ１８の力行中、即ち、コンデンサ２４の放電期間中に、コンデンサ２４には常に電流が流れる。電池２６及びコンデンサ２４の力行電力の配分は、これら電池２６及びコンデンサ２４に流れる電流が等しいので、夫々の電圧比となり、この配分比を任意に変更できない。そのため、モータ１８の要求電力の総てを電池２４でまかなえる程度に、この要求電力が少ない場合であっても、コンデンサ２４に充電された電力を無駄に消費していた。
【００１３】
この状態を図１３を参照して更に説明する。図１１の電源回路の場合、電池２６及びコンデンサ２４の間で、電気自動車などの加速（時点０から時点ｔ１まで）、速度維持（時点ｔ１から時点ｔ２まで）、減速（時点ｔ２から時点ｔ３まで）に対して、電力の分担が図１３に示すように行われる。なお、領域Ｂ（点の領域）は、電池２６が分担した電力を示し、領域Ｃ１（正の部分の縦線領域）は、コンデンサ２４が放電により分担した電力を示し、領域Ｃ２（負の部分の縦線領域）は、コンデンサ２４がモータの回生電力で充電される領域を示す。この電力の分担は、上述のように、これら電池２６及びコンデンサ２４に流れる電流が等しいので、任意に変更できない。
【００１４】
コンデンサ２４のエネルギーの蓄積容量が大きければ問題はないが、コンデンサ２４のエネルギー密度は、電池２６の場合よりも１桁少ないので、不必要なときに、コンデンサ２４の蓄積エネルギーを無駄に消費してしまうと、いざ大電力が必要なときに、コンデンサ２４の残存エネルギーが少ないという問題が生じる。すなわち、モータ１８の要求電力が大きいときに、コンデンサ２４からの放電電力を多くし、要求電力が小さいときに、コンデンサ２４からの放電電力を小さくする方が、コンデンサ２４に受電された電力を効率よく使用でき、望ましい。
【００１５】
したがって、本発明の目的は、モータの力行時にコンデンサの蓄電エネルギーを完全にゼロになるまで使用できると共に、電池及びコンデンサの電力負担の割合を任意に制御して、コンデンサの蓄電エネルギーをより一層効率的に使用できるモータ駆動用電源装置を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係るモータ駆動用電源装置は、図１及び図３に示すように、
電池２６及びコンデンサ２４の直列回路と、
出力端がモータ１８に結合された第１電力変換器２８と、
この第１電力変換器２８の入力端を電池２６の両端又は上記直列回路の両端に選択的に結合させるスイッチ回路７２又は７５と、
入力端がモータ１８に結合され、出力端がコンデンサ２４を充電可能に結合された第２電力変換器３２と、
第１電力変換器２８、第２電力変換器３２及びスイッチ回路７２又は７５を制御する制御回路７３とを具えている。
この制御回路７３は、モータ１８の力行時に、モータ１８が必要とする電力に応じて上記スイッチ回路７２又は７５の導通及び非導通を制御し、モータ１８が要求する電力に対してコンデンサ２４から得る電力と電池２６の電力との割合を調整する。
【００１７】
請求項２に記載した発明に係るモータ駆動用電源装置は、図４に示すように、
電池２６及びコンデンサ２４の直列回路と、
第１入出力端の一方が第１スイッチ回路７７を介して電池２６のコンデンサとは反対側の端部（プラス端）に結合され、第２入出力端がモータ１８に結合された第１電力変換器１６と、
この第１電力変換器１６の第１入出力端の他方を電池２６の他端（マイナス端）又はコンデンサ２４の電池とは反対側の端部（マイナス端）に選択的に結合させる第２スイッチ回路７２と、
入力端が第１電力変換器１６の第１入出力端に結合され、出力端がコンデンサ２４を充電可能に結合された第２電力変換器３２と、
第１スイッチ回路７７、第２スイッチ回路７２、第１電力変換器１６及び第２電力変換器３２を制御する制御回路７３とを具えている。
制御回路７３は、モータ１８の力行時に、第１スイッチ回路７７を閉じ、モータ１８が必要とする電力に応じて第２スイッチ回路７２の導通及び非導通を制御し、モータ１８が要求する電力に対してコンデンサ２４から得る電力と電池２６の電力との割合を調整する。
【００１８】
請求項３に記載した発明に係るモータ駆動用電源装置は、図５に示すように、
電池２６及びコンデンサ２４の直列回路と、
第１入出力端が直列回路の両端にスイッチ回路７７を介して結合され、第２入出力端がモータ１８に結合された第１電力変換器１６と、
入力端が第１電力変換器１６の第１入出力端に結合され、出力端がコンデンサ２４を充電可能に結合され、入力端及び出力端の間が絶縁された第２電力変換器３２０と、
スイッチ回路７７、第１電力変換器１６及び第２電力変換器３２０を制御する制御回路７３とを具えている。
制御回路７３は、モータ１８の力行時に、スイッチ回路７７を閉じ、モータ１８が必要とする電力に応じて第２電力変換器３２０を制御し、モータ１８が要求する電力に対してコンデンサ２４から得る電力と電池２６の電力との割合を調整する。
【００１９】
請求項４に記載した発明に係るモータ駆動用電源装置は、図７に示すように、
電池２６及びコンデンサ２４の直列回路と、
入力端が直列回路の両端に結合され、出力端がモータ１８に結合された第１電力変換器２８と、
入力端がモータ１８に結合され、出力端がコンデンサ２４を充電可能に結合されたＤＣ／ＤＣコンバータから成る第２電力変換器３２０と、
第１電力変換器２８及び第２電力変換器３２０を制御する制御回路７３とを具えている。
制御回路７３は、モータ１８の力行時に、モータ１８が必要とする電力に応じて第２電力変換器３２０を制御し、モータ１８が要求する電力に対してコンデンサ２４から得る電力と電池２６の電力との割合を調整する。
【００２０】
【発明の実施の形態及び実施例】
図１は、本発明のモータ駆動用電源装置の好適な第１実施例のブロック図であり、図１１の電源装置と類似している部分がある。例えば、一般的な大容量コンデンサである１個の雷気二重層コンデンサ２４と、例えば、蓄電池である複数の電池２６を直列接続し、直列回路とする。この直列回路の電池グループ２６のコンデンサ２４の反対端（プラス端）は、単方向性第１電力変換器２８の左側の入力端の一方（上側）に結合し、コンデンサ２４のマイナス端は、スイッチ回路７２を介して、第１電力変換器２８の左側の入力端の他方（下側）に結合する。スイッチ回路７２のスイッチ素子は、例えば、リレー、コンタクター、パワー・トランジスタ、絶縁ゲート・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。また、このスイッチ回路７２の開閉は、制御回路７３からの制御信号により制御する。コンデンサ２４及び電池グループ２６の共通接続点と、第１電力変換器２８及びスイッチ回路７２の共通接続点とを単方向性第２電力変換器３２の左側の出力端に結合する。また、コンデンサ２４及びスイッチ回路７２の直列回路の両端には、極性反転防止用のバイパス・ダイオード３６を結合する。第１電力変換器２８の右側の出力端及び第２電力変換器３２の右側の入力端にモータ３０を結合する。制御回路７３は、電力変換器２８及び３２の動作も制御する。
【００２１】
第１電力変換器２８は、モータ１８の力行時に、コンデンサ２４及び電池グループ２６の直列回路からの電圧、又は電池２６のみからの電圧を降圧してモータ１８に供給する単方向性のチョッパ又はインバータである。第２電力変換器３２は、モータ１８の回生時に、モータ１８の発電電圧を降圧して、コンデンサ２４に供給する単方向性のチョッパまたはＡＣ／ＤＣコンバータである。これら第１及び第２電力変換器がチョッパの場合、図１２に示す回路を利用できる。この場合、端子５８及び６０が入力端であり、端子６８及び７０が出力端である。また、トランジスタ６２のゲート（又はエミッタ）は、制御回路７３からの制御信号を受ける。
【００２２】
第１電力変換器２８、第２電力変換器３２及び制御回路７３の動作電力は、電池２６、又は電池２６及びコンデンサ２４の直列回路から直接得てもよいし、電池２６又は直列回路の出力をＤＣ／ＤＣコンバータを介して得ても良い。また、電池２６とは別の補助電源を設けて、そこから得てもよい。さらに、第１電力変換器２８の力行電力から得たり、第２電力変換器３２の回生電力から得てもよい。
【００２３】
本発明のモータ駆動用電源装置が電気自動車に使用されている場合、制御回路７３は、アクセル７４、ブレーキ７６及びクラッチ７８の状態に応じて、電力変換器２８及び３２に導通／非導通の制御信号を供給すると共に、スイッチ回路７２に開閉制御信号を供給する回路であり、例えば、マイクロプロセッサ・システムにより構成できる。すなわち、制御回路７３は、クラッチ７８が結合している状態で、回生状態及び力行状態のいずれかであると判断する。この状態で、アクセル７４がオンで且つブレーキ７６がオフであると、力行状態であると判断し、その他の場合、即ち、アクセル７４及びブレーキ７６が共にオフである場合か、アクセル７４に関係なくブレーキ７６がオンである場合は、回生状態であると判断する。制御回路７３は、この判断に応じて、適切な制御信号を発生する。
【００２４】
次に、モータ１８の消費する電力の分担状態を示す図２を参照して、図１の第１実施例の動作を更に説明する。なお、図２は、図１３と同様に、領域Ｂが電池グループ２６の分担する電力領域を示し、領域Ｃ１がコンデンサ２４の分担する領域を示し、領域Ｃ２がコンデンサ２４への回生電圧による充電を示す。モータ１８が力行状態であると制御回路７３が判断すると、この制御回路７３は、第２電力変換器３２内のトランジスタ６２を非導通に維持して、この第２電力変換器３２の動作を停止させる。よって、第２電力変換器３２は、接続されていないのと同様になる。制御回路７３は、モータ１８の力行状態において、モータに供給される電圧及び電流を検出する（検出回路は図示しない）と共に、アクセル７４の状態を検出して、モータ１８がどの程度の電力を要求するかを判断する。
【００２５】
図２に示す時点０から時点ｔ１までのように、モータ１８の要求電力が小さい場合、総ての電力を電池グループ２６のみでまかなうことができるので、制御回路７３は、スイッチ回路７２を開く（非導通にする）。よって、電池グループ２６のみがダイオード３６を介して電力を第１電力変換器２８に供給する。第１電力変換器２８は、この電圧を降圧して、モータ１８に供給する。
【００２６】
アクセル７４の設定との関係で、コンデンサ２４からも電力を供給しなければならないレベル（設定値）、即ち、電池のみの電力分担ではまかなえきれないレベルに達したと、制御回路７３が時点ｔ１で判断すると、この制御回路７３がスイッチ回路７２を閉じる（導通にする）。よって、コンデンサ２４に充電された電気エネルギーによりある電圧と、電池グループ２６の電圧とが加算されて、この加算された電圧が第１電力変換器２８により降圧されて、直流モータ１８に供給される。よって、コンデンサ２４及び電池グループ２６からの電流が、第１電力変換器１６、モータ１８及びスイッチ回路７２を介してコンデンサ２４に戻り、閉回路が形成され、モータ１８が回転する。
【００２７】
また、アクセル７４の設定との関係で、時点ｔ２において、モータ１８の要求電力が設定値未満になると、制御回路７３は、スイッチ回路７２を再び非導通にする。よって、コンデンサ２４が切り離されて、電池グループ２６のみが第１電力変換器２８により降圧されてモータ１８に電力を供給する。この状態が時点ｔ３まで続く。時点０から時点ｔ３までは、モータ１８の力行期間中であるので、制御回路７３は、アクセル７４の状態及びモータ１８に供給される電力との関係から、第１電力変換器２８に供給する制御パルス信号の衝撃係数を制御して、運転者が希望するように、モータ１８の回転状態を制御する。また、制御回路７３は、電源の電圧が変動してもモータの動作が変わらないように、電力変換器２８に供給する制御パルス信号を制御する機能を持つ。
【００２８】
スイッチ回路７２が導通している期間中、コンデンサ２４及び電池グループ２６は直列接続なので、コンデンサ２４の電圧が順次低下していっても、電池グループ２６の上端の電圧は、常に少なくとも電池の電圧だけは十分にあるので、コンデンサ２４の電圧がゼロになるまで、このコンデンサ２４の電気エネルギーを利用できる。ところで、時点ｔ１及びｔ２間におけるモータ１８の力行時には、大容量コンデンサ２４の放電が進むにつれて、充電電圧が低下し、蓄電量がゼロになると、極性が反転してしまう。ダイオード３６は、コンデンサ２４の極性が反転しようとすると導通して、この極性反転を防止する。コンデンサ２４の極性が反転しない期間中は、ダイオード３６は非導通であり、また、スイッチ回路７２が非導通の期間中は、ダイオード３６が導通しているので、図１の装置の動作に影響しない。
【００２９】
時点ｔ３において、モータ１８が回生状態であると制御回路７３が判断すると、この制御回路７３は、スイッチ回路７２を導通状態にし、第１電力変換器２８内のトランジスタ６２を非導通にしてその動作を停止させる。また、制御回路７３は、第２電力変換器３２内のトランジスタ６２を適切な衝撃係数で繰り返し導通及び非導通にして、第２電力変換器３２を動作させる。よって、コンデンサ２４及び電池グループ２６からの電圧が第１電力変換器２８を通過せず、モータ１８に駆動電圧が供給されない。よって、モータ１８は、発電機として機能し、発電電圧、即ち、回生電圧を発生する。この回生電圧は、第２電力変換器３２を介してコンデンサ２４に供給され、このコンデンサ２４を充電する。この充電電圧が、モータの力行時に再利用される。
【００３０】
図３は、本発明の好適な第２実施例のブロック図である。この第２実施例は、図１に示す第１実施例と類似しているので、異なる点のみを以下に説明する。図１の実施例では、スイッチ回路７２は、コンデンサ２４のマイナス端と第１電力変換器２８の共通電位端（左側下の端子）との間に接続された単極単投スイッチであるが、図３の実施例では、スイッチ回路７２の代わりに双極単投スイッチ回路７５を用い、固定端子をコンデンサ２４の夫々の端部に接続し、可動端子を第１電力変換器２８の共通電位端に接続している。モータ１８の力行期間中に、モータ１８の必要電力が小さい場合には、制御回路７３の制御により、スイッチ回路７５が電池グループ２６のマイナス端を選択して、コンデンサ２４を切り離す。また、モータ１８の必要電力が大きい場合には、制御回路７３の制御により、スイッチ回路７５がコンデンサ２４のマイナス端を選択して、第１電力変換器２８がコンデンサ２４及び電池グループ２６の直列回路から電力を受けるようにする。力行期間中のその他の動作は、図１の実施例と同じである。また、回生期間中は、制御回路７３が第１電力変換器２８の動作を停止させるので、スイッチ回路７５の選択はいずれでもよい。
【００３１】
図４は、本発明の好適な第３実施例のブロック図である。この第３実施例では、コンデンサ２４及び電池グループ２６を直列接続する。この直列回路の電池グループ２６のプラス端は、第１半導体スイッチ回路７７を介して、双方向性第１電力変換器１６の左側の入出力端の一方（上側）に結合し、コンデンサ２４のマイナス端は、第２スイッチ回路７２を介して、第１電力変換器１６の左側の入出力端の他方（下側）及び単方向性第２電力変換器３２の左側の出力端の下側、即ち、基準電位源に結合する。第２電力変換器３２の右側の入力端は、第１電力変換器１６の左側の入出力端に結合され、第２電力変換器３２の左側の出力端は、第２スイッチ回路７２を介してコンデンサ２４を充電可能に接続される。第１電力変換器１６の左側の入出力端がモータ１８に結合される。コンデンサ２４及び第２スイッチ回路７２の直列回路の両端には、極性反転防止用のバイパス・ダイオード３６を結合する。図１の場合と同様の制御回路７３が、第１スイッチ回路７７、第２スイッチ回路７２、第１電力変換器１６及び第２電力変換器３２を制御する。なお、第１電力変換器１６及びモータ１８の接続間に他の回路、例えば、第２電力変換器３２が接続されていないので、第１電力変換器１６及びモータ１８の予め設定された最適な組み合わせを、マッチングを崩すことなく、そのまま利用できる点に留意されたい。また、第１電力変換器１６には図９に示すチョッパを使用でき、第２電力変換器３２には、図１２に示すチョッパを使用できる。
【００３２】
モータ１８の力行時には、制御回路７３は、スイッチ回路７７を導通状態に維持し、第２電力変換器３２の動作を停止させ、第１電力変換器１６に適切な衝撃係数の制御パルス信号を供給して、第１電力変換器１６が左側からの入力電圧を降圧して、モータ１８に供給できるようにする。この力行時において、モータ１８の要求電力が設定値よりも低い場合、電池グループ２６からの電力のみで充分なので、制御回路７３はスイッチ回路７２を非導通にする。よって、電池グループ２６からの電流は、第１スイッチ回路７７を介して第１電力変換器１６に加わり、この第１電力変換器１６からの戻り電流は、ダイオード３６を介して電池グループ２６に戻る。モータ１８の要求電力が設定値よりも高くなると、電池グループ２６及びコンデンサ２４の両方からの電力を第１電力変換器１６が受けるために、制御回路７３はスイッチ回路７２を導通にする。よって、電池グループ２６及びコンデンサ２４の直列回路からの電流は、第１スイッチ回路７７を介して第１電力変換器１６に加わり、この第１電力変換器１６からの戻り電流は、第２スイッチ回路７２を介してコンデンサ２４に戻る。なお、ダイオード３６の動作は、第１及び第２実施例と同じである。
【００３３】
モータ１８の回生時には、制御回路７３は、第１スイッチ回路７７を非導通にし、第２スイッチ回路７２を導通させ、第２電力変換器３２を適切に動作させる。なお、第１電力変換器１６は、スイッチ回路７７の非導通により、電池グループ２６からの電力を受けないので、モータ１８に電力を供給できない。よって、第２電力変換器３２は、モータ１８の回生電力を第１電力変換器１６を介して受け、適切に降圧して、コンデンサ２４を充電する。
【００３４】
なお、電力変換器１６が、チョッパ又はインバータの何れの場合にも、これらチョッパ又はインバータ用の電源電圧がモータ１８の起電力よりも高いと、スイッチング素子（トランジスタ）の導通及び非導通の時間比（衝撃係数）を調整することによって、昇圧での回生電力制御が可能である。しかし、モータ１８の起電力よりも電源電圧が低いときには、チョッパ又はインバータが単なる整流器として作用するだけで、回生電力の制御が不能となるが、第２電力変換器３２が回生電力を制御してコンデンサ２４を充電できるので問題ない。よって、モータ１８が発電した電力を、第１電力変換器１６で整流（制御不能状態にある）した後、第２電力変換器３２で降圧（制御可能状態にある）してもよいし、第１電力変換器１６で昇圧（制御可能状態にある）した後、第２電力変換器３２で降圧（制御可能状態にある）してもよい。また、この実施例では、第２電力変換器３２の入出力端間を絶縁することにより、モータ１８が停止期間中でも、スイッチ回路７７及び７２を導通させ、第２電力変換器３２を動作させることにより、電池グループ２６からコンデンサ２４に充電を行うことができる。
【００３５】
図５は、本発明の好適な第４実施例のブロック図である。この実施例は、図４の実施例の第２スイッチ回路７２がない場合に類似しているが、第２電力変換器３２０が、入力側（右側の端子）及び出力側（左側の端子）の間が絶縁された一般的なＤＣ／ＤＣコンバータで構成されている。また、第２電力変換器３２０が、入力側及び出力側の間が絶縁せずに、第１電力変換器１６の第１入出力端と第２入出力端との間を絶縁してもよい。図６は、図５の実施例におけるモータ１８の供給電力の状態を示す図であり、領域Ｃは、コンデンサ２４からの電力供給を示し、領域Ｂは、電池グループ２６からの電力供給を示す。時点０〜ｔ３の期間のモータ１８の力行時には、スイッチ回路７７を導通させ、モータ１８の要求電力が小さいとき（時点０〜ｔ１及び時点ｔ２〜ｔ３の期間）には、第２電力変換器３２０を動作させて、電池２６及びコンデンサ２４の直列回路からの電力を部分的に第２電力変換器３２０を介してコンデンサ２４に戻す点が図４の実施例と異なる。よって、コンデンサ２４は、放電と充電との差引で、実質的にコンデンサ２４の放電電力を低減できるので、モータの要求電力の小さいときに、コンデンサ２４の蓄積エネルギーを温存できる。この場合、第２電力変換器３２０の動作の制御に応じて、電池２６及びコンデンサ２４の直列回路からの放電電流を連続的に任意に制御できる。
【００３６】
また、力行時において、モータ１８の要求電力が大きいとき（時点ｔ１〜ｔ２の期間）には、制御回路７３が第２電力変換器３２０の動作を停止させ、コンデンサ２４への充電を停止する。よって、電池２６及びコンデンサ２４の両方からの電力を、第１電力変換器１６を介して、モータ１８に供給できる。なお、第２電力変換器３２０の入力側及び出力側が絶縁されていない場合、第１電力変換器１６と、入出力間の絶縁されていない第２電力変換器とを同時に動作させると、スイッチ回路７７及び第２電力変換器を介して、電池２６が短絡して動作しなくなる。よって、第２電力変換器３２０の入力側及び出力側を絶縁する必要がある。
【００３７】
モータ１８の回生期間は、図４の実施例の場合と同様に、制御回路７３がスイッチ回路７７を非導通にし、モータ１８の回生電力を第１電力変換器１６及び第２電力変換器３２０を介してコンデンサ２４を充電してもよい。しかし、スイッチ回路７７を導通にすると、回生電力をコンデンサ２４及び電池２６の両方に戻すことができる。この場合、制御回路７３が第２電力変換器３２０を通過する電力を大きくすると、コンデンサ２４の回生電力の分配量が多くなり、逆にこの通過電力を小さくすると、電池２６への回生電力の分配量が多くなる。満充電状態に近いコンデンサ２４に回生電力を戻すと過電圧になってしまうが、このような場合には、電池２６に回生電力の一部を戻すことができる。なお、図６の時点ｔ３〜ｔ６の期間中は、この回生状態を示し、時点ｔ４〜ｔ５の期間中に、スイッチ回路７７が導通して、電池２６に回生電力を戻している。この図５の実施例は、図４の実施例と異なり、モータ１８の動作中に、電池２６からコンデンサ２４を充電できる。
【００３８】
図７は、本発明の好適な第５実施例のブロック図である。この実施例は、図１の実施例と類似しているが、スイッチ回路７２を用いず、第２電力変換器３２０に、入力側及び出力側が絶縁されたＤＣ／ＤＣコンバータを用いている。この第２電力変換器３２０の動作は、図５の実施例の場合と同じであるが、第１電力変換器１６を介さずに、モータ１６の回生電力を直接受ける。その他の動作は、図５の場合と同様である。
【００３９】
本発明の好適な実施例について上述したが、当業者には、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の変形及び変更が可能である。モータは実施例で説明したもの（ＤＣモータ）以外にも、ＤＣブラシレスモータ、交流誘導モータ、交流同期モータでもよく、また、単相モータでも３相モータでもよい。第１電力変換器には、これらのモータに対応したチョッパまたはインバータを、第２変換器には、チョッパまたはＤＣ／ＤＣコンバータを使用することができる。コンデンサとしては、複数のコンデンサを並列接続したものを用いてもよい。さらに、１個のコンデンサの代わりに、少数のコンデンサを直列接続して用いてもよい。なお、少数のコンデンサを直列接続する場合、各コンデンサの電圧のバラツキは、多数のコンデンサの直列接続の場合よりも少ないので、さほど問題にならない。電池とコンデンサの電力分担の割合は、図２と図１３に示した割合に限られるものではなく、種々の変形が可能である。図１のスイッチ７２、図３のスイッチ７５、図４のスイッチ７２は、モータの要求電力が小さいと判断された期間中、非導通のままにすることもできるし、導通／非導通を高速で切り換えることもできる（従来技術・図１０のスイッチ２０と同様）。この場合、導通比率が多いほどコンデンサが多く使われ、逆に導通比率が小さいほど電池が多く使われる。
【００４０】
【本発明が奏する効果】
上述の如く、本発明のモータ駆動用電源装置によれば、電池及びコンデンサを直列接続して用いるので、モータの力行時にコンデンサの蓄電エネルギーを完全にゼロになるまで使用できる。電池にコンデンサを直列接続して放電すると、電池単独の場合よりもコンデンサの分だけ電圧を高くすることができる。ここで、第１の電力変換器に供給される電力が同じであれば、電圧が高くなった分だけ、電池の放電電流、即ち負荷を減らすことができる。また、力行時のモータの要求電力に応じて、スイッチ回路又はＤＣ／ＤＣコンバータから成る第２電力変換器が電池及びコンデンサの直列回路からコンデンサを切り離したり、力行時に電池からコンデンサに供給する電力を制御するので、電池及びコンデンサの電力負担の割合を任意に制御して、コンデンサの蓄電エネルギーをより一層効果的に使用できる。電気自動車が市街地を走行する場合には、加速（力行）と減速（回生）が適宜繰り返され、コンデンサも加減速に合わせて放電（力行）と充電（回生）が繰り返される。したがって、コンデンサは走行状態を反映した電圧域を保つことになり、力行時に電池の負荷を低減する効果も持続する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のモータ駆動用電源装置の好適な第１実施例のブロック図である。
【図２】図１の動作を説明するために、モータ要求電力を表す図である。
【図３】本発明のモータ駆動用電源装置の好適な第２実施例のブロック図である。
【図４】本発明のモータ駆動用電源装置の好適な第３実施例のブロック図である。
【図５】本発明のモータ駆動用電源装置の好適な第４実施例のブロック図である。
【図６】図５の動作を説明するために、モータ要求電力を表す図である。
【図７】本発明のモータ駆動用電源装置の好適な第５実施例のブロック図である。
【図８】従来のモータ駆動用電源装置の一例のブロック図である。
【図９】電力変換器の一例の回路図である。
【図１０】従来のモータ駆動用電源装置の他の例のブロック図である。
【図１１】従来のモータ駆動用電源装置の更に他の例のブロック図である。
【図１２】電力変換器の他の例の回路図である。
【図１３】図１１の動作を説明するために、モータ要求電力を表す図である。
【符号の説明】
１６    第１電力変換器
１８    モータ
２４    コンデンサ
２６    電池
２８    第１電力変換器
３２    第２電力変換器
３６    ダイオード
７２    スイッチ回路
７３    制御回路
７４    アクセル
７５    スイッチ回路
７６    ブレーキ
７７    スイッチ回路
７８    クラッチ
３２０  第２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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【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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