(57)【要約】      （修正有）【課題】電気駆動車両に適用してモータの出力増大、加速性能の向上、運動エネルギーの回収率向上、走行エネルギーの低減を図るものである。【解決手段】入力端子の一方と出力端子の一方とを共通端子とした出力電圧反転形電流双方向昇降圧チョッパ８の前記共通端子を直流電源１の一方の端子に、前記チョッパの他方の入力端子を前記直流電源の他方の端子に接続するとともに、前記直流電源の前記他方の端子と前記チョッパの出力端子の前記他方の端子との間に負荷を接続し、前記チョッパを制御して前記負荷の電圧を前記直流電源の電圧以上にできるようにした。【選択図】図１
2012157152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端子の一方と出力端子の一方とを共通端子とした出力電圧反転形電流双方向昇降圧チョッパの前記共通端子を直流電源の一方の端子に、前記チョッパの他方の入力端子を前記直流電源の他方の端子に接続するとともに、前記直流電源の前記他方の端子と前記チョッパの出力端子の前記他方の端子との間に負荷を接続し、前記チョッパを制御して前記負荷の電圧を前記直流電源の電圧以上にできるようにしたことを特徴とする電気システム。
【請求項２】
請求項１に記載の電気システムにおいて、前記出力電圧反転形電流双方向昇降圧チョッパは、入力端子の一方と出力端子の一方の端子とを接続して共通端子とし、第１のダイオードを逆並列接続した第１の半導体スイッチと第２のダイオードを逆並列接続した第２の半導体スイッチとを直列接続してスイッチアームを構成し、前記スイッチアームの一端を入力端子の一方の端子とし、前記スイッチアームの他端を出力端子の一方の端子となるようにし、前記スイッチアームの前記第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチとの接続点と前記共通端子間にインダクタを接続し、前記入力端子間および前記出力端子間にそれぞれキャパシタを接続したことを特徴とする電気システム
【請求項３】
請求項２に記載の電気システムにおいて、前記出力端子間に接続した前記キャパシタに第３のダイードを前記キャパシタの印加電圧の正電位がカソードとなる向きに並列に接続したことを特徴とする電気システム
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の電気システムにおいて、前記直流電源は、電池としたことを特徴とする電気システム。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載の電気システムにおいて、前記直流電源は、電池からチョッパを介して給電される電気二重層キャパシタとしたことを特徴とする電気システム
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれかに記載の電気システムにおいて、前記直流電源は、燃料電池からチョッパを介して給電される蓄電装置としたことを特徴とする電気システム
【請求項７】
請求項１乃至３のいずれかに記載の電気システムにおいて、前記直流電源は、エンッジン発電機および整流器を介して給電される蓄電装置としたことを特徴とする電気システム
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の電気システムにおいて、力行運転時で前記チョッパの出力電圧をほぼゼロにするときは、前記第１の半導体スイッチおよび第２の半導体スイッチをオフとしたことを特徴とする電気システム
【請求項９】
請求項１乃至７のいずれかに記載の電気システムにおいて、回生運転時で前記チョッパの出力電圧をほぼゼロにするときは、前記第１の半導体スイッチはオフ動作、第２の半導体スイッチをオン動作としたことを特徴とする電気システム
【請求項１０】
請求項１乃至７のいずれかに記載の電気システムにおいて、力行運転時で、前記チョッパの出力電圧をゼロ以上にするときは、前記第２の半導体スイッチはオフ動作とし、第１の半導体スイッチを前記チョッパの出力電圧値に対応した規定の通流率でオンーオフ制御するようにしたことを特徴とする電気システム
【請求項１１】
請求項１乃至７のいずれかに記載の電気システムにおいて、回生運転時で、前記チョッパの出力電圧をゼロ以上にするときは、前記第１の半導体スイッチはオフ動作とし、第２の半導体スイッチを前記チョッパの出力電圧値に対応した規定の通流率でオンーオフ制御するようにしたことを特徴とする電気システム
【請求項１２】
請求項１乃至７のいずれかに記載の電気システムにおいて、力行運転時で前記チョッパの前記第１の半導体スイッチおよび第２の半導体スイッチをオフにして前記チョッパの出力電圧をほぼゼロの状態から規定電圧値の状態に立ち上げる場合、前記第１の半導体スイッチの通流率を零から規定の通流率にまで規定時間で増加させるようにしたことを特徴とする電気システム
【請求項１３】
請求項１乃至７のいずれかに記載の電気システムにおいて、制動運転時で前記チョッパの前記第１の半導体スイッチをオフ、第２の半導体スイッチをオンにして前記チョッパの出力電圧をほぼゼロの状態から規定電圧値の状態に立ち上げる場合、前記第２の半導体スイッチの通流率を１から規定の通流率にまで規定時間で低減させるようにしたことを特徴とする電気システム
【請求項１４】
車輪に連結した電動機を車載の直流電源からインバータを介して駆動する車輪駆動システムを少なくとも１組以上備えた電動車両として、前記直流電源に前記請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の電気システムを適用したことを特徴とする電動車両。
【請求項１５】
車載の直流電源を動力源としてインバータと電動機を介して又は／および車載のエンジンを動力源として車輪を駆動するハイブリッド自動車として、前記直流電源に前記請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の電気システムを適用したことを特徴とするハイブリッド自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電池等の直流電源からＶＶＶＦインバータを介して電動機を駆動する電気駆動車両の電気システムに係わる。特に本発明は電気自動車（以下、ＥＶ（Electric  Vehicle)という）のパワートレインの電気システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の加速性能即ち、加速時間はパワートレインの出力に比例する。即ち、ＩＣＥ(Internal Combustion Engine)自動車ではエンジン出力、ＥＶでは車輪駆動モータ出力によって加速性能が決まる。加速性能を高める、即ち加速時間を短くするには、パワートレインの出力を大きくすれば実現できるがパワートレイン機器が大きく、且つ機器コストが高くなると言う課題も伴う。
【０００３】
一方、自動車の制動性能、即ち制動時間または制動距離は自動車のパワートレインの加速性能とは無関係に自動車の衝突・安全性の面から決められている。制動時間は制動パワーに比例する。一般的な自動車の例では、制動パワーは加速パワーの２〜３倍のパワーとなっている。現在のＥＶの場合、パワートレインの電機品の出力は加速性能から決められているため、この電機品のパワーでは充分な制動力は得られないのでＩＣＥ自動車と同じ機械制動力を、回生制動力に加えている。
【０００４】
次に自動車の走行エネルギーについて説明する。自動車の走行エネルギーのうち、その大部分は車両の加速に使用され、定速走行時のエネルギーは加速エネルギーの数分の１程度である。自動車では、加速時、パワートレインの動力は車体の加速に使われ、そのエネルギーの大部分は車体の運動エネルギーとして蓄えられる。この車体に蓄えられたエネルギーは制動時に制動エネルギーとして車体から放出される。ＩＣＥ自動車では、このエネルギーは機械ブレーキで熱として消費される。現状のＥＶでは、制動時、車体の運動エネルギーの一部は回生電力としてバッテリーに回収されるが、大部分は機械ブレーキで熱として捨てられている。
【０００５】
この制動時、車体の運動エネルギーをより多く回収できれば自動車の燃費向上が期待される。表１は、制動エネルギーの回収と燃費向上の関係の一例を示したものである。同表は代表的な走行パターンであるＪＣ０８モードで１．５ｔ級の乗用車を走行させた場合の例である。同表から、制動を全て電気制動にして制動エネルギーを回収すると燃費性能は数倍に向上することを示している。
【０００６】
【表１】
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次に電池について説明する。電池の寿命はＤＯＤ（Depth  Of  Discharge：放電深度）とその繰り返し回数によって決まる。一般的な二次電池はＤＯＤが小さくなると、電池の許容繰り返しサイクル数が増大する。ＥＶの場合、電池のＤＯＤを小さくすれば寿命を延
ばせるが、車載出来る電池容量の制約から電池のＤＯＤの下限にも限界がある。このため、場合によってはＥＶの使用の途中で電池を交換することが必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−８１０号公報
【特許文献２】特開２００１―５４２１０号公報
【特許文献３】特開２００４−３５０４７８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】平成20年電気学会産業応用部門大会論文  No．2-O4-3 [II-199]-[II-204]
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＥＶを例に、電気駆動車両の現状の問題点について説明する。ＥＶのパワートレインは図２６に示す電気システムである。直流電源１の直流電圧をインバータ（ＶＶＶＦインバータ）２で交流電圧に変換してモータ３で車輪を駆動している。制動時は、モータ３を発電機にして、車体の運動エネルギーの一部を直流電源１に回収している。
【００１０】
図２７は図２６のパワートレインの代表的な力行特性について示したものである。回転数Ｎ1 までは、牽引力一定運転（モータの全界磁運転および定トルク運転）、Ｎ1 から高速域は定出力運転（モータの弱め界磁運転）となっている。回転数０からＮ1 までは、インバータ２の出力電圧を速度上昇に応じて上昇させる。回転数Ｎ1 でインバータ２の出力電圧は最大になり、これ以上電圧は高められないためＮ1 より高速域では、モータ電圧は一定となり、電流も一定な定出力運転になる。定出力運転域では、加速力は速度に反比例する。即ち速度上昇に応じて牽引力が小さくなる特性である。例えば、Ｎ1 の２倍の速度では牽引力は半減する。
【００１１】
図２８は自動車の制動特性の一例を図２７の加速特性に加えて示したものである。図２７では、横軸はモータ３の回転数で示してあるが、図２８では横軸は車両速度で示してある。自動車では、制動距離から高速から停止まで一定な制動力が求められるので、図示のような制動力、制動パワー特性となる。同図で実線は制動、破線は前述の力行の特性を示している。また同図で制動力と牽引力は同じとして示してある。同図で制動パワーと力行パワーとの差を斜線部で示してある。自動車の場合、高速域では力行パワーより制動パワーが大きく、通常最大制動パワーは最大力行パワーの２〜３倍程度になる。
【００１２】
図２６に示す電気システムでは、モータ３のパワーはモータ３の電圧と電流の積で決まる。モータ３の最大電圧は直流電源１の電圧によって決まる。モータ３の最大電圧はインバータ２の制御方式により異なるが表２のようになる。
【００１３】
【表２】
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図２７で、Ｎ1 より高速では、インバータの最大電圧は表２で決まる電圧となるのでこ
れ以上の電圧をモータに印加できない。このため，Ｎ1 より高速域ではモータ出力を高めることはできないので図２６示した電気システムでは、Ｎ1 より高速域で図２８に示した制動力を発生させることはできない。                                              
【００１４】
ＥＶの場合、制動パワーを全て電気制動で賄うとすると電機品容量が大きくなり車両搭載が困難なことから、力行パワーに相当するパワーで電気制動を分担し、制動力の不足分を機械制動でカバーしている。このため、制動時、車両の運動エルギーの一部を熱として廃棄することになり、エネルギー利用効率（自動車の燃費性能に相当）を下げている。今後の低炭素化社会実現のため、自動車分野においても、制動エネルギー回収率向上が望まれ、自動車技術の今後の大きな課題の一つとなっている。
【００１５】
前述のように、モータパワーはほぼモータ電圧とモータ電流の積に比例するので、モータパワーを高めるには、電圧を高めることが有効である（電流を同じとすることができるので）。このことから、制動時モータ電圧を力行時の電圧より高められればモータ電流を増やすことなく制動パワーを増やすことができる。前述したように電気自動車の場合、モータの最大電圧は表２に示すように車載バッテリー電圧によって決まるので制動時にモータ電圧は高められない。このため、図２９のように、全運転範囲をモータ全界磁運転の定トルク運転にして制動パワー最大時にモータ電圧が最大になるようにすることも可能であるが、電流が図２７に比べ大きくなり（同図では制動電流は力行電流の２倍で示してある）、車載機器の大形化、価格増となり問題となる。
【００１６】
このため、図３０に示すように、直流電源１とインバータ２との間に昇圧チョッパ４を挿入して、制動時にモータ３の電圧を高めることも可能である (特許文献１）。図３０の電気システムでは、図３１に示すように、モータ車両速度Ｖ1 より高速域の制動運転時は、インバータ２の直流電圧を昇圧チョッパ４によりバッテリーの直流電圧以上に高めている。この場合、チョッパ４の電力制御容量はインバータ２の電力制御容量とほぼ同じになる。チョッパ４の電力制御容量は最大出力電圧と最大出力電流の積であることから、図３０の電気システムでは、図２６に示す電気システムの場合に比べ車載機器が大形化、価格増となってしまう。例えば、チョッパ最大出力電流が同じでも、最大出力電圧が２倍となると電力制御容量は２倍となる。このような背景から、ＥＶなど車載電池で駆動する電気駆動車両ではインバータの入力電圧を直流電源電圧以上に高められ、且つ小形・軽量、低価格の電気システムが求められていた。
【００１７】
前述の図２６および図３０に示した電気システムをＥＶに適用した場合、自動車の走行距離は自動車に搭載したバッテリーの蓄電容量によって決まる。走行距離を伸ばせるＥＶとしてこのバッテリーに代えて燃料電池を電源とした燃料電池車が実用化されている。燃料電池のみを自動車の直流電源とした場合、現状の燃料電池の性能では、化学電池並みの出力過渡応答がえられない。またこの燃料電池には、制動時の回生電力が吸収できないなど自動車用電源としては不十分である。燃料電池自動車としては電気システムの改善が課題となっていた。
【００１８】
チョッパの装置の大きさ、質量、価格は最大制御容量が大きくなればなるほど増大する。チョッパの最大制御容量はチョッパの最大出力電圧と最大出力電流の積であることから、チョッパの出力電圧をできるだけ低くすることが有効である。このようなことから、図３１に示した直流電圧の斜線部で示した電圧分のみ、直流電源電圧に加算する事ができれば有効で、より実用的な電気システムが実現できる。これを実現するため、図３２に示すように直流電源１とは別の蓄電装置５１を降圧チョッパ５を介して直流電源１に直列接続してバッテリーの直流電圧以上の電圧をインバータ２に給電する電気システムが提案されている（特許文献２）。しかし、このシステムでは直流電源１とは別の蓄電装置５１が必
要となり、１つの直流電源では実現することはできない。
【００１９】
直流電源を入力とするチョッパによる電流双方向可変電圧電源としては図３３の電流双方向昇降圧チョッパが知られている（特許文献３）。図３３のチョッパについて説明する。図３３で、昇降圧チョッパ６は半導体スイッチ６１ａとダイオード６１ｂとで半導体スイッチ６１を、半導体スイッチ６２ａとダイオード６２ｂとで半導体スイッチ６２を、半導体スイッチ６３ａとダイオード６３ｂとで半導体スイッチ６３を、半導体スイッチ６４ａとダイオード６４ｂとで半導体スイッチ６４をそれぞれ構成し、電流平滑用インダクタ６５を図のように接続し、チョッパの入力および出力側には電圧平滑用キャパシタ６６，６７を接続して構成している。図３３のチョッパは入力電圧と出力電圧の極性が同じ出力電圧非反転形電流双方向昇降圧チョッパである。図３３の動作については公知であるので動作説明は省略する。
【００２０】
一方、出力電圧反転形電流単方向昇降圧チョッパとして非特許文献１で紹介されている。図３４はその回路構成を示す。図３４のチョッパは電流が一方向動作のチョッパである。図３４で、７は出力電圧反転形電流単方向昇降圧チョッパで、半導体スイッチ素子７１ａとダイオード７１ｂとを逆並列接続して半導体スイッチ７１を構成し、ダイオード７２と図示のように直列接続する。半導体スイッチ７１とダイオード７２との接続点と一方の入力および出力の共通線７６にインダクタ７３を接続する。図３４の出力電圧反転形電流単方向昇降圧チョッパの動作については、非特許文献１で紹介されているのでここでの説明は省略する。
【００２１】
車載電池を動力源とする電気駆動車両では、車輪駆動電動機の電圧は電池電圧に対応した電圧以上には高められない。このため、高速域では牽引力又は制動力は速度に反比例する特性にしている。特に、高速からのブレーキでは、回生ブレーキ力が不充分で主ブレーキはメカブレーキとしている。この結果、電気自動車の省エネルギーから回生性動力性能向上が大きな課題となっている。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、上記の課題を解決するものであって、電気駆動車両に適用してモータの出力増大、加速性能の向上、運動エネルギーの回収率向上、走行エネルギーの低減を図るものである。
【００２３】
そのために本発明は、図３４に示す出力電圧反転形電流単方向昇降圧チョッパを電流双方形にして図３２の電気システムで、直流電源５１を必要としない電気システムを等価的に実現するものであって、請求項１に記載の電気システムは、入力端子の一方と出力端子の一方とを共通端子とした出力電圧反転形電流双方向昇降圧チョッパの前記共通端子を直流電源の一方の端子に、前記チョッパの他方の入力端子を前記直流電源の他方の端子に接続するとともに、前記直流電源の前記他方の端子と前記チョッパの出力端子の前記他方の端子との間に負荷を接続し、前記チョッパを制御して前記負荷の電圧を前記直流電源の電圧以上にできるようにしたことを特徴とする。
【００２４】
さらに、請求項２に記載の電気システムは、請求項１に記載の電気システムにおいて、前記出力電圧反転形電流双方向昇降圧チョッパは、入力端子の一方と出力端子の一方の端子とを接続して共通端子とし、第１のダイオードを逆並列接続した第１の半導体スイッチと第２のダイオードを逆並列接続した第２の半導体スイッチとを直列接続してスイッチアームを構成し、前記スイッチアームの一端を入力端子の一方の端子とし、前記スイッチアームの他端を出力端子の一方の端子となるようにし、前記スイッチアームの前記第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチとの接続点と前記共通端子間にインダクタを接続し、前記入力端子間および前記出力端子間にそれぞれキャパシタを接続したことを特徴とす
る。
【００２５】
請求項３に記載の電気システムは、請求項２に記載の電気システムにおいて、前記出力端子間に接続した前記キャパシタに第３のダイードを前記キャパシタの印加電圧の正電位がカソードとなる向きに並列に接続したことを特徴とする。
【００２６】
請求項４乃至７に記載の電気システムは、請求項１乃至３のいずれかに記載の電気システムにおいて、前記直流電源は、電池からチョッパを介して給電される電気二重層キャパシタとし、燃料電池からチョッパを介して給電される蓄電装置とし、エンッジン発電機および整流器を介して給電される蓄電装置としたことを特徴とする。
【００２７】
請求項８又は９に記載の電気システムは、請求項１乃至７のいずれかに記載の電気システムにおいて、力行運転時で前記チョッパの出力電圧をほぼゼロにするときは、前記第１の半導体スイッチおよび第２の半導体スイッチをオフとしたことを特徴とし、回生運転時で前記チョッパの出力電圧をほぼゼロにするときは、前記第１の半導体スイッチはオフ動作、第２の半導体スイッチをオン動作としたことを特徴とする。
【００２８】
請求項１０又は１１に記載の電気システムは、力行運転時で、前記チョッパの出力電圧をゼロ以上にするときは、前記第２の半導体スイッチはオフ動作とし、第１の半導体スイッチを前記チョッパの出力電圧値に対応した規定の通流率でオンーオフ制御するようにしたことを特徴とし、回生運転時で、前記チョッパの出力電圧をゼロ以上にするときは、前記第１の半導体スイッチはオフ動作とし、第２の半導体スイッチを前記チョッパの出力電圧値に対応した規定の通流率でオンーオフ制御するようにしたことを特徴とする。
【００２９】
請求項１２又は１３に記載の電気システムは、請求項１乃至７のいずれかに記載の電気システムにおいて、力行運転時で前記チョッパの前記第１の半導体スイッチおよび第２の半導体スイッチをオフにして前記チョッパの出力電圧をほぼゼロの状態から規定電圧値の状態に立ち上げる場合、前記第１の半導体スイッチの通流率を零から規定の通流率にまで規定時間で増加させるようにしたことを特徴とし、制動運転時で前記チョッパの前記第１の半導体スイッチをオフ、第２の半導体スイッチをオンにして前記チョッパの出力電圧をほぼゼロの状態から規定電圧値の状態に立ち上げる場合、前記第２の半導体スイッチの通流率を１から規定の通流率にまで規定時間で低減させるようにしたことを特徴とする。
【００３０】
請求項１４に記載の電動車両は、車輪に連結した電動機を車載の直流電源からインバータを介して駆動する車輪駆動システムを少なくとも１組以上備えた電動車両として、前記直流電源に前記請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の電気システムを適用したことを特徴とする。
【００３１】
請求項１４に記載のハイブリッド自動車は、  車載の直流電源を動力源としてインバータと電動機を介して又は／および車載のエンジンを動力源として車輪を駆動するハイブリッド自動車として、前記直流電源に前記請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の電気システムを適用したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、直流電源を入力とする出力電圧反転形電流双方向昇降圧チョッパを直流電源に等価的に直列接続して直流電源電圧にこのチョッパの出力電圧を重畳してインバータの入力に給電し、このインバータを介してモータを駆動する電気システムであるので、モータの全界磁運転が全運転域で可能となり、次の効果が期待できる。
【００３３】
その１  ＥＶ、ハイブリッド自動車、建機、電動バイクを始めとする車載電源で車輪を
駆動する電気駆動車両の電気システムに適用した場合、高速域でモータ電圧を車載直流電源の電圧から決まる電圧以上に高められるのでモータの出力増大が図れ、自動車の加速性能向上が図れる。さらに、高速からフル電気ブレーキが実現できるので、制動時の車体の運動エネルギー回収が大幅に増加し、回収エネルギーを走行エネルギーとして再利用することによって走行エネルギーが大幅に低減する。
【００３４】
その２  電気鉄道車両を始めとする車両外の直流電源から電気駆動車両の電気システムに適用した場合、高速域でモータ電圧を電車線電圧で決まる電圧以上に高められるのでモータの出力増大が図れ、車両の加速性能向上が図れる。さらに、最高速からフル電気ブレーキが実現できるので、制動時の車体の運動エネルギー回収が大幅に増加し、回収エネルギーを走行エネルギーとして再利用することによって走行エネルギーが大幅に低減する。
【００３５】
その３  直流電源電圧が大きく変動しても、インバータの入力電圧を一定またはそれ以上に保つことができるので直流電源として電気二重層キャパシタの使用が可能になり、化学電池と電気二重層キャパシタの併用によって化学電池の寿命を大幅に伸ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】直流電源からチョッパとＶＶＶＦインバータを介して電動機を駆動する基本電気システムとその動作を説明する図である。（実施例１）
【図２】図１のチョッパの詳細回路構成を説明する図である。（実施例２）
【図３】図２のチョッパの出力電圧零動作を説明する図である。（実施例３）
【図４】図２のチョッパの力行運転時に出力電圧を零以上にする動作を説明する図である。（実施例４）
【図５】図４の制御特性を説明する図である。
【図６】図２のチョッパ制動運転時の出力電圧を零以上にする動作を説明する図である。（実施例５）
【図７】図６の制御特性を説明する図である。
【図８】図１の制御特性を説明する図である。
【図９】図２のチョッパの力行運転時に出力電圧を零から立ち上げる制御動作を説明する図である。（実施例６）
【図１０】図２のチョッパの制動運転時に出力電圧を零から立ち上げる制御動作を説明する図である。（実施例７）
【図１１】図９の制御動作を説明する図である。
【図１２】図１０の制御動作を説明する図である。
【図１３】図１と別の基本電気システムその動作を説明する図である。（実施例８）
【図１４】図１３のチョッパの詳細回路構成を説明する図である。（実施例９）
【図１５】図１３のチョッパの出力電圧零動作を説明する図である。
【図１６】図１３のチョッパの力行運転時に出力電圧を零以上にする動作を説明する図である。
【図１７】図１３のチョッパ制動運転時の出力電圧を零以上にする動作を説明する図である。
【図１８】図１３の制御特性を説明する図である。
【図１９】図１の電気システムで直流電源を直流電源とＥＤＬＣとした電気システムを説明する図である。（実施例１０）
【図２０】ＥＤＬＣの特性を説明する図である。
【図２１】図１９の電気システムの動作を説明する図である。
【図２２】図１で直流電源を燃料電池とする電気システムを説明する図である。（実施例１１）
【図２３】図１で直流電源をエンジン発電機と蓄電装置とする電気システムを説明する図である。（実施例１２）
【図２４】図１の電気システムをＥＶに適用した電気システムを説明する図である。（実施例１３）
【図２５】図１の電気システムをハイブリッド自動車に適用した電気システムを説明する図である。（実施例１４）
【図２６】直流電源からＶＶＶＦインバータを介して電動機を駆動する公知の電気システムを説明する図である。
【図２７】図２６の電気システムの特性を説明する図である。
【図２８】図２７の特性を説明する図である。
【図２９】図２７の特性で望ましい特性を説明する図である。
【図３０】図２６に電気システムで直流電源とＶＶＶＦインバータ間にチョッパを挿入した公知の電気システムを説明する図である。
【図３１】図３０の特性を説明する図である。
【図３２】図２６の電気システムで直流電源にチョッパを直列に接続した公知の電気システムを説明する図である。
【図３３】出力電圧非反転形電流双方向昇降圧チョッパの公知の回路構成を説明する図である。
【図３４】出力電圧反転形電流単方向昇降圧チョッパの公知の回路構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明の実施形態は、図３４に示す出力電圧反転形電流単方向昇降圧チョッパを電流双方向にして図３２の電気システムで、直流電源５１を必要としない電気システムを等価的に実現し、車載電池を電源として、ＶＶＶＦインバータでモータを駆動して走行する電動車両で、電池とインバータ間にチョッパを挿入してインバータの入力電圧を電池電圧以上にして、高速域からの回生制動力を高めてフル電気ブレーキを実現するものである。以下、実施例を説明する。
【実施例１】
【００３８】
図１において、図２６と同一の構成要素は同一記号で示し、８は出力電圧反転形電流双方向昇降圧チョッパ、Ａはチョッパの入力部、Ｂはチョッパの出力部で、その電圧極性は図示のようになる。インバータ２の入力には同図の破線で示した向きに電圧が印加されるので、インバータ２の入力電圧は直流電源１の直流電圧とチョッパ８の出力Ｂの電圧の和となり、直流電源１の電圧以上の電圧となる。すなわち、チョッパ８の出力電圧をゼロにすれば、インバータ２の入力電圧は直流電源１の電圧となり、チョッパ８の出力電圧をゼロ以上に高めれば、インバータ２の入力電圧は直流電源１の電圧以上の電圧になる。
【実施例２】
【００３９】
図２は実施例１のチョッパ８の回路構成であり、図１の回路構成の詳細を説明する図である。図２で、８１は半導体スイッチで半導体スイッチ素子８１ａにダイオード８１ｂを逆並列接続する。８２は半導体スイッチで半導体スイッチ素子８２ａにダイオード８２ｂを逆並列接続する。半導体スイッチ８１および８２は図示の極性に直列接続する。半導体スイッチ８１および８２の接続点から入出力共通端子線８４に電流平滑用インダクタ８３を接続する。８５は入力電圧平滑用キャパシタ、８６は出力電圧平滑用キャパシタである。８７は出力電圧平滑用キャパシタ８６に逆電圧が印加されるのを防止するためのダイオードで、図示の極性で出力電圧平滑用キャパシタ８６に並列に接続する。
【実施例３】
【００４０】
実施例３は、実施例２に示したチョッパ８の出力電圧を零に動作させる実施例である。
まず、チョッパ８の出力電圧がほぼゼロとなる動作（チョッパ８の出力電圧がほぼゼロであるので、電気システムとしては図２６と等価的には同じになる動作）について説明する。図３はこの場合の説明図で、図３（ａ）は力行運転動作の場合を、図３（ｂ）は制動運転動作の場合を示している。
【００４１】
図３（ａ）の力行運転では、半導体スイッチ素子８１ａおよび８２ａはともにオフ状態にしておく。インバータ２の電流ＩP はダイオード８２ｂ、インダクタ８３を通って流れ、チョッパ８の出力電圧はほぼゼロとなる。
【００４２】
図３（ｂ）の制動運転では、半導体スイッチ素子８２ａはオン、半導体スイッチ素子８１ａはオフ状態にしておく。インバータ２の電流ＩB はインダクタ８３、半導体スイッチ素子８２ａを通って流れ、チョッパ８の出力電圧はほぼゼロとなる。
【実施例４】
【００４３】
実施例４は、実施例２のチョッパ８の出力電圧を力行運転時に零以上に動作させる実施例である。まず力行動作について説明する。図４は力行運転時の定常動作状態を示す図である。図４を用いて力行運転時の定常動作について説明する。図４（ａ）はモード１のチョッパ動作と各部の電流の流れを示す図、図４（ｂ）はモード２のチョッパ動作と各部の電流の流れを示す図、図４（ｃ）はモード１とモード２の各部の電流波形を示す図である。各部の電圧の極性は図のようになっている。図４でＩP はインバータ２の入力電流で、インバータ２に流れ込む方向の電流をＩPP、インバータ２から流れ出る方向の電流をＩPNとして示してある。
【００４４】
モード１は半導体スイッチ素子８２ａをオフ状態にして半導体スイッチ素子８１ａをオンにし直流電源１をインダクタ８３を介して短絡するモードである。モード１では、インダクタ８３には直流電源電圧が印加されるので、インダクタ８３の電流Ｉ83は増加する（一般的にはこの電流増加は小さいので図示例では一定としている）。また直流電源１の（＋）端子からインバータ２の端子へ電流ＩPPが給電され、インバータ２の反対の端子から流れ出た電流ＩPNはチョッパ８の出力電圧平滑用キャパシタ８６を図示の端子に流れ、出力電圧平滑用キャパシタ８６は放電する。
【００４５】
半導体スイッチ素子８１ａをオンにしてから時間Ｔ1 後に半導体スイッチ素子８１ａをオフにしてモード１から図４（ｂ）のモード２に移る。モード２では、半導体スイッチ素子８１ａおよび８２ａともオフであるので、インダクタ８３に流れていた電流Ｉ83は出力電圧平滑用キャパシタ８６、半導体スイッチ８２のダイオード８２ｂを通って還流する。このモードでは、モード１でインダクタ８３に蓄えたエネルギーを出力電圧平滑用キャパシタ８６に移す。インバータ２からの電流ＩPNはモード１と同じく出力電圧平滑用キャパシタ８６に流れ込む。
【００４６】
通常、インダクタ８３の電流Ｉ83はインバータ２の電流ＩP より大きくなるよう制御される。出力電圧平滑用キャパシタ８６に流れるインダクタ８３の電流Ｉ83とインバータ２の電流ＩPNの向きは逆であり、出力電圧平滑用キャパシタ８６の電流はインダクタ８３の電流Ｉ83とインバータ２の電流ＩPNとの差の電流となるので、出力電圧平滑用キャパシタ８６を充電する方向に流れる。図４（ｃ）でＥ1 は直流電源１の電圧、Ｅ86は出力電圧平滑用キャパシタ８６の電圧、ＥB はＥ1 の平均値電圧、ＥC はＥ86の平均値電圧を表している。
【００４７】
次にチョッパ８の力行制御特性について説明する。チョッパ８の出力電圧ＥC （電圧平滑用キャパシタ８６の電圧の平均値電圧）と直流電源１の電圧ＥB （直流電源１の電圧平均値）との関係は数式１となる。
（数１）
【００４８】
ＥC ＝ＥB （α／（１−α））（Ｖ）
ここで、αはチョッパの通流率で数式２となる。
（数２）
【００４９】
α＝Ｔ1 ／Ｔ
ここで、Ｔ1 は半導体スイッチ素子８１ａのオン時間で単位は（ｓ）、Ｔは半導体スイッチ素子８１ａのスイッチング周期で単位は（ｓ）である。インダクタ８３の電流Ｉ83の平均値ＩL は数式３となる。
（数３）
【００５０】
ＩL ＝ＩP ／（１−α）  （Ａ）
ここで、ＩP はインバータ２の電流（平均値）で単位は（Ａ）である。ＥC 、ＥB 、ＩP 、ＩL およびαの関係を図示すると図５のようになる。図５（ａ）は電圧の制御特性、図５（ｂ）は電流の制御特性について示している。
【実施例５】
【００５１】
実施例５は、実施例２のチョッパ８の出力電圧を制動運転時に零以上に動作させる実施例である。次に制動動作について説明する。図６は制動運転時の定常動作状態を示す図である。図６を用いて制動運転時の定常動作について説明する。図６（ａ）はモード１のチョッパ動作と各部の電流の流れを示す図、図６（ｂ）はモード２のチョッパ動作と各部の電流の流れを示す図、図６（ｃ）はモード１、モード２の各部の電流波形を示す図である。各部の電圧の極性は図のようになっている。
【００５２】
モード１は半導体スイッチ素子８１ａをオフ状態にして半導体スイッチ素子８２ａをオンにして出力電圧平滑用キャパシタ８６にインダクタ８３を接続してインダクタ８３で出力電圧平滑用キャパシタ８６を短絡するモードである。モード１では、インダクタ８３には出力電圧平滑用キャパシタ８６の電圧が印加されるので、インダクタ８３の電流Ｉ83は増加する（一般的にはこの電流増加は小さいので図示例では一定としている）。またインバータ２から電流ＩBPが直流電源１の（＋）端子に回生され、インバータ２の反対の端子へ流れ込む電流ＩBNはチョッパ８の出力電圧平滑用キャパシタ８６を図示の端子に流れ、出力電圧平滑用キャパシタ８６を充電する。
【００５３】
半導体スイッチ素子８２ａをオンにしてから時間Ｔ1 後に半導体スイッチ素子８２ａをオフにしてモード１から図６（ｂ）のモード２に移る。モード２では、半導体スイッチ素子８１ａおよび８２ａともオフであるので、インダクタ８３に流れていた電流Ｉ83は半導体スイッチ８１のダイオード８１ｂを通って直流電源１に還流する。モード１で出力電圧平滑用キャパシタ８６のエネルギーをインダクタ８３に移し、このモードでインダクタ８３に蓄えたエネルギーを直流電源１に移す。インバータ２への電流ＩBNはモード１と同じく出力電圧平滑用キャパシタ８６に流れ込み、同キャパシタ８６を充電する。
【００５４】
通常、インダクタ８３の電流Ｉ83はインバータ２の電流ＩB より大きくなるよう制御される。インダクタ８３の直流電源１への還流電流の向きはインバータ２の電流ＩBPと同一向きに流れる。モード２の期間ではインバータ２の電流ＩBNは出力電圧平滑用キャパシタ８６を充電する。図６（ｃ）でＥ1 は直流電源１の電圧、Ｅ86は出力電圧平滑用キャパシタ８６の電圧、ＥB はＥ1 の平均値電圧、ＥC はＥ86の平均値電圧を表している。
【００５５】
次にチョッパ８の制動制御特性について説明する。チョッパ８の出力電圧ＥC （電圧平滑用キャパシタ８６の電圧の平均値電圧）と直流電源１の電圧ＥB との関係は数式４とな
る。
（数４）
【００５６】
ＥC ＝ＥB （（１−α）／α）  （Ｖ）
ここでαはチョッパ８の通流率で数式５となる。
（数５）
【００５７】
α＝Ｔ1 ／Ｔ
ここで、Ｔ1 は半導体スイッチ素子８２ａのオン時間で単位は（ｓ）、Ｔは半導体スイッチ素子８２ａのスイッチング周期で単位（ｓ）である。インダクタ８３の電流Ｉ83の平均値ＩL は数式６となる。
（数６）
【００５８】
ＩL ＝ＩB ／α  （Ａ）
ここで、ＩB はインバータ２の電流（平均値）で単位は（Ａ）である。ＥC 、ＥB 、ＩB 、ＩL およびαの関係を図示すると図７のようになる。図７（ａ）は電圧の制御特性、図７（ｂ）は電流の制御特性について示している。
【００５９】
次に具体的な図１の電気システムの制御特性について説明する。図８は、図１の電気システムでインバータ２の入力電圧Ｅ2 について示したものであり、モータ３の回転数Ｎ1 まではチョッパ８の出力電圧はゼロとし、Ｎ1 から高速域で、出力している場合を示している。図示では回転数Ｎのとき、チョッパ８の出力電圧はＥC 、インバータ２の入力電圧Ｅ2 はＥ1 ＋ＥC となるよう制御していることを示している。ＮMAX はモータ３の最高回転数を示す。上述した制御は、力行運転ではチョッパ８の半導体スイッチ素子８１ａの通流率制御、制動運転ではチョッパ８の半導体スイッチ素子８２ａの通流率制御によって行われるが、半導体スイッチ素子８１ａ、８２ａの制御は一般的なチョッパ制御と同じであるので、ここでの詳述は省略する。
【実施例６】
【００６０】
実施例６は、実施例２のチョッパ８の出力電圧を力行運転時に零の状態から目標の電圧に立ち上げる動作の実施例である。図３（ａ）のチョッパ８の出力電圧が零の制御状態から零以上の状態に立ち上げるチョッパ８の制御について説明する。
【００６１】
図９は力行運転の場合の動作説明図である。図９（ａ）は動作モードと各部の波形について示している。図９（ｂ）のモード０において半導体スイッチ素子８１ａおよび半導体スイッチ素子８２ａはともにオフでチョッパ８の出力電圧がゼロで図３（ａ）と同じである。インダクタ８３にはインバータ２の電流ＩP が流れている。
【００６２】
図９（ａ）に示した時間ｔ0 で半導体スイッチ素子８１ａをオンにする。半導体スイッチ素子８１ａをオンにすると直流電源１にインダクタ８３が並列接続され、インダクタ８３の電流Ｉ83がインバータ２の電流ＩP の電流値から増加してゆく。半導体スイッチ素子８１ａをオンにすると、インダクタ８３には図示の極性の電圧が発生するのでダイオード８２ｂには逆電圧が印加されてオフしてインバータ２の電流ＩP はダイオード８２ｂから出力電圧平滑用キャパシタ８６に移る。この電流は出力電圧平滑用キャパシタ８６を図示の極性とは逆の極性に充電しようとするがダイオード８７が並列に接続されているので、電流はダイオード８７に流れる。
【００６３】
インダクタ８３の電流Ｉ83が規定値迄増加した時間ｔ1 で半導体スイッチ素子８１ａをオフにしてモード２に移る。半導体スイッチ素子８１ａをオフにすると、インダクタ８３に流れていたインダクタ８３の電流Ｉ83は出力電圧平滑用キャパシタ８６、ダイオード８
２ｂの回路を通って還流する。出力電圧平滑用キャパシタ８６には、インダクタ８３の電流Ｉ83とインバータ２の電流ＩPNとの差電流が出力電圧平滑用キャパシタ８６に流れる。インバータ２の電流ＩPNよりインダクタ８３の電流Ｉ83が大きいので、出力電圧平滑用キャパシタ８６には図示の極性に充電する向きに流れる。
【００６４】
時間ｔ2 で再び８１ａをオンにしてモード３に移る。モード３はモード１と同じモードで、時間ｔ3 で半導体スイッチ素子８１ａをオフにする。図９（ａ）で時間ｔ1 から時間ｔ3 迄がチョッパ８のスイッチング１周期で、半導体スイッチ素子８１ａは時間ｔ1 〜ｔ2 がオフ、時間ｔ2 〜ｔ3 がオンである。
【実施例７】
【００６５】
実施例７は、実施例２のチョッパ８の出力電圧を制動運転時に零の状態から目標の電圧に立ち上げる動作の実施例である。図３（ｂ）のチョッパ８の出力電圧が零の状態から零以上の状態に立ち上げるチョッパ８の制御について説明する。図１０は制動運転の場合の動作説明図である。図１０（ａ）は動作モードと各部の波形について示している。図１０（ｂ）のモード０は半導体スイッチ素子８１ａはオフ、半導体スイッチ素子８２ａをオンしてチョッパ８の出力電圧がゼロの運転で図３（ｂ）と同じである。インダクタ８３にはインバータ２の電流ＩB が流れている。
【００６６】
図１０（ａ）に示した時間ｔ0 で半導体スイッチ素子８２ａをオフにする。半導体スイッチ素子８２ａをオフにすると半導体スイッチ素子８２ａに流れていたインダクタ８３の電流Ｉ83は直流電源１に移り、直流電源１を充電する。インバータ２の電流ＩBNは出力電圧平滑用キャパシタ８６を図示の電圧極性に充電する方向に流れる。出力電圧平滑用キャパシタ８６の電圧が規定値迄増加した時間ｔ1 で半導体スイッチ素子８２ａをオンにしてモード２に移る。
【００６７】
出力電圧平滑用キャパシタ８６は図示の極性に充電されているので、半導体スイッチ素子８２ａをオンにすると出力電圧平滑用キャパシタ８６にインダクタ８３が並列接続されインダクタ８３の電流Ｉ83は増加してゆく。出力電圧平滑用キャパシタ８６にはインダクタ８３の電流Ｉ83とインバータ２の電流ＩBNとの差電流が流れる。インダクタ８３の電流Ｉ83の方が大きいので出力電圧平滑用キャパシタ８６の電流は出力電圧平滑用キャパシタ８６から図示の極性の電圧を放電する方向となる。時間ｔ2 で再び半導体スイッチ素子８２ａをオフにしてモード３に移る。モード３はモード１と同じモードで、時間ｔ3 で半導体スイッチ素子８２ａをオンにする。図１０（ａ）で時間ｔ1 から時間ｔ3 迄はチョッパ８のスイッチング１周期で時間ｔ1 〜ｔ2 がオン、時間ｔ2 〜ｔ3 がオフである。
【００６８】
次にチョッパ８の出力電圧の立ち上がり動作について説明する。まず、力行運転について、図９の時間ｔ3 以降の動作を図１１に示す。図１１で、時間ｔ0 迄はチョッパ８の出力電圧の指令値はゼロであるので半導体スイッチ素子８１ａはオフ（α＝０）で、力行電流ＩP は図３（ａ）のように流れる。時間ｔ0 でチョッパ８の出力電圧ＥC が指令されると図示のように電圧指令値が立ち上がってゆく。この出力電圧指令値の立ち上がりに対応して数式１の通流率αで半導体スイッチ素子８１ａのスイッチングが立ち上がってゆく。インダクタ８３の電流Ｉ83は通流率αに対応した数式３で示した電流で立ち上がってゆく。時間ｔ0 からのチョッパ８の制御は一般的なチョッパの電圧、電流制御と同じであるので、ここでのチョッパ制御の詳述は省略する。
【００６９】
次に制動運転の場合で、図１０の時間ｔ3 以降の動作を図１２に示す。図１２はその動作説明図である。時間ｔ0 はチョッパ８の出力電圧の指令値はゼロであるので半導体スイッチ素子８２ａはオン（α＝１）で、制動電流ＩB は図３（ｂ）のように流れる。時間ｔ1 で、チョッパ８の出力電圧ＶC が指令されると、図示のように電圧指令値が立ち上がっ
てゆく。この出力電圧指令値の立ち上がりに対応して数式４の通流率αで半導体スイッチ素子８２ａのスイッチング制御が立ち上がってゆく。インダクタ８３の電流Ｉ83は通流率αに対応した数式６で示した電流で立ち上がってゆく。時間ｔ0 からのチョッパ８の制御は一般的なチョッパの電圧、電流制御と同じであるので、ここでのチョッパ制御の詳述は省略する。
【実施例８】
【００７０】
図１３は実施例１で示した電気システムとは他の電気システムの実施例である。図１３の基本システムは図１の出力電圧反転形電流双方向昇降圧チョッパ８の入出力共用端子の極性を反転させたものであり、図１と同一のものは同一記号で示し、９は出力電圧反転形電流双方向昇降圧チョッパ、Ａはチョッパの入力部、Ｂはチョッパの出力部でその電圧極性は図示のようになる。
【００７１】
インバータ２の入力には図１３の破線で示した向きの電圧が印加されるので、インバータ２の入力電圧は直流電源１の電圧とチョッパ９の出力Ｂの電圧の和となり、直流電源１の電圧以上の電圧となる。すなわち、チョッパ９の出力電圧をゼロにすれば、インバータ２の入力電圧は直流電源１の電圧となり、チョッパ９出力電圧をゼロ以上に高めれば、インバータ２の入力電圧を直流電源１の電圧以上の電圧になる。
【実施例９】
【００７２】
図１４は実施例８の電気システムのチョッパ９の回路構成の実施例である。図１４で、構成要素の２桁数字記号で２桁目が９の構成要素の数字を８に読み替えた構成要素の記号が図２と同じ記号の構成要素は図２と同一の構成要素となるので、ここでの詳述は省略する。但し、半導体の通流極性は図示の通りである。その他の構成要素で図２と同一記号は同一のものである。
【００７３】
次に、図１４の動作について説明する。まず、チョッパ９の出力電圧がほぼゼロとなる動作（チョッパ９の出力電圧がほぼゼロであるので、電気システムとしては図２６と等価的には同じになる動作）について説明する。図１５はこの場合の説明図で、図１５（ａ）は力行運転動作の場合を、図１５（ｂ）は制動運転動作の場合を示している。
【００７４】
図１５（ａ）の力行運転では、半導体スイッチ素子９１ａおよび９２ａはともにオフ状態にしておく。インバータ２の電流ＩP はインダクタ９３、ダイオード９２ｂを通って流れ、チョッパ９の出力電圧はほぼゼロとなる。図１５（ｂ）の制動運転では、半導体スイッチ素子９２ａはオン，９１ａはオフ状態にしておく。インバータ２の電流ＩB は半導体スイッチ素子９２ａ、インダクタ９３を通って流れ、チョッパ９の出力電圧はほぼゼロとなる。
【００７５】
続いて、図１４のチョッパ９の出力電圧を零以上にする動作について説明する。まず力行動作について説明する。図１６は力行運転時の定常動作状態を示す図である。図１６を用いて力行運転時の定常動作について説明する。図１６（ａ）はモード１のチョッパ動作と各部の電流の流れを示す図、図１６（ｂ）はモード２のチョッパ動作と各部の電流の流れを示す図、図１６（ｃ）はモード１、モード２の各部の電流波形を示す図である。各部の電圧の極性は図のようになっている。図１６では、ＩP はインバータ２の電流で、インバータ２に流れ込む方向の電流をＩPP、インバータから流れ出る方向の電流をＩPNとして示してある。
【００７６】
モード１は半導体スイッチ素子９２ａをオフ状態にして半導体スイッチ素子９１ａをオンにして直流電源１をインダクタ９３を介して短絡するモードである。モード１では、インダクタ９３には直流電源１の電圧が印加されるので、インダクタ９３の電流Ｉ93は増加
する（一般的にはこの電流増加は小さいので図示例では一定としている）。また直流電源１の（＋）端子からインバータ２へ電流ＩPPが出力電圧平滑用キャパシタ９６を介して給電され、出力電圧平滑用キャパシタ９６を放電する。インバータ２の反対の端子から流れ出た電流ＩPNは直流電源１の（−）端子に戻る。
【００７７】
半導体スイッチ素子９１ａをオンにしてから時間Ｔ1 後に半導体スイッチ素子９１ａをオフにしてモード１から図１６（ｂ）のモード２に移る。モード２では、半導体スイッチ素子９１ａおよび９２ａともオフであるので、インダクタ９３に流れていた電流Ｉ93は半導体スイッチ９２のダイオード９２ｂ、出力電圧平滑用キャパシタ９６を通って還流する。このモードでは、モード１でインダクタ９３に蓄えたエネルギーを出力電圧平滑用キャパシタ９６に移す。インバータ２への電流ＩPPはモード１と同じく出力電圧平滑用キャパシタ９６に流れ続ける。
【００７８】
通常、インダクタ９３の電流Ｉ93はインバータ２の電流ＩP より大きくなるよう制御される。出力電圧平滑用キャパシタ９６に流れるインダクタ９３の電流Ｉ93とインバータ２の電流ＩPPの向きは逆であるので、出力電圧平滑用キャパシタ９６の電流はインダクタ９３の電流Ｉ93とインバータ２の電流ＩPPとの差電流が充電する方向に流れ、出力電圧平滑用キャパシタ９６を充電する。図１６（ｃ）でＥ1 は直流電源１の電圧、Ｅ96は出力電圧平滑用キャパシタ９６の電圧、ＥB はＥ1 の平均値電圧、ＥC はＥ96の平均値電圧を表している。
【００７９】
次にチョッパの力行制御特性について説明する。チョッパの出力電圧ＥC （電圧平滑用キャパシタ９６の電圧の平均値電圧）と直流電源１の電圧ＥB との関係は前述の数式１〜数式３となる。ＥC 、ＥB 、ＩP 、ＩL およびαの関係は前述の図５と同じとなる。
【００８０】
次に制動動作について説明する。図１７は制動運転時の定常動作状態を示す図である。図１７を用いて制動運転時の定常動作について説明する。図１７（ａ）はモード１のチョッパ動作と各部の電流の流れを示す図、図１７（ｂ）はモード２のチョッパ動作と各部の電流の流れを示す図、図１７（ｃ）は各部の電流波形を示す図である。各部の電圧の極性は図のようになっている。
【００８１】
モード１は半導体スイッチ素子９１ａをオフ状態にして半導体スイッチ素子９２ａをオンにしてチョッパ出力電圧平滑用キャパシタ９６にインダクタ９３を接続して、インダクタ９３で出力電圧平滑用キャパシタ９６を短絡するモードである。モード１では、インダクタ９３に出力電圧平滑用キャパシタ９６の電圧が印加されるので、インダクタ９３の電流Ｉ93は増加する（一般的にはこの電流増加は小さいので図示例では一定としている）。またインバータ２から流れ出た電流ＩBPは出力電圧平滑用キャパシタ９６を充電する方向に流れて直流電源１の（＋）端子に流れ込む。インバータ２の反対の端子に流れ込む電流ＩBNは直流電源１の（−）端子からの電流が流れ込む。
【００８２】
半導体スイッチ素子９２ａをオンにしてから時間Ｔ1 後に半導体スイッチ素子９２ａをオフにしてモード１から図１７（ｂ）のモード２に移る。モード２では、半導体スイッチ素子９１ａおよび９２ａともオフであるので、インダクタ９３に流れていた電流Ｉ93は半導体スイッチ９１のダイオード９１ｂを通って直流電源１に還流する。モード１で出力電圧平滑用キャパシタ９６のエネルギーをインダクタ９３に移し、このモードでインダクタ９３に蓄えたエネルギーを直流電源１に移す。インバータ２から流れ出た電流ＩBPはモード１と同じく出力電圧平滑用キャパシタ９６を通って直流電源１に流れ続ける。
【００８３】
通常、インダクタ９３の電流Ｉ93はインバータ２の電流ＩPPより大きくなるよう制御される。インダクタ９３の直流電源１への還流電流の向きはインバータ２の電流ＩBPと同一
向きに流れる。モード２の期間、インバータ２の電流ＩBPは出力電圧平滑用キャパシタ９６を充電する。図１７（ｃ）でＥ1 は直流電源１の電圧、Ｅ96は出力電圧平滑用キャパシタ９６の電圧、ＥB はＥ1 の平均値電圧、ＥC はＥ96の平均値電圧を表している。
【００８４】
次にチョッパの制動制御特性について説明する。チョッパの出力電圧ＥC （電圧平滑用キャパシタ９６の電圧の平均値電圧）と直流電源１の電圧Ｅ1 との関係は前述の数式４〜数式６となる。ＥC 、ＥB 、ＩB 、ＩL およびαの関係は前述の図８と同じとなる。
【００８５】
次に具体的なチョッパの制御について説明する。図１８はインバータ２の入力電圧Ｅ2 について図８を再掲したものである。図１８では、モータ３の回転数Ｎ1 まではチョッパ９の出力電圧はゼロとし、Ｎ1 から高速域で、出力している場合を示している。図示ではモータ３の回転数Ｎでチョッパ９の出力電圧はＥC 、インバータ２の入力電圧Ｅ2 はＥ1 ＋ＥC となるよう制御していることを示している。ＮMAX はモータ３の最高回転数を示している。上述した制御は、力行運転ではチョッパ９の半導体スイッチ素子９１ａおよび制動運転ではチョッパ９の半導体スイッチ素子９２ａの通流率制御によって行われるが、半導体スイッチ素子９１ａ、９２ａの制御は一般的なチョッパ制御と同じであるので、ここでの詳述は省略する。
【実施例１０】
【００８６】
図１９の基本システムは図１の示した基本電気システムの直流電源１を電気二重層キャパシタ１０とし（以下電気二重層キャパシタをＥＤＬＣ（Electrical Double Layer Capacitor ）と表わす）、このＥＤＬＣ１０には直流電源１からチョッパ１１を介して給電するようにした電気システムである。
【００８７】
図１および図１３に示した電気システムの直流電源がバッテリー（化学電池）の場合、その電圧はほぼ一定となる。しかし、モータ３が高頻度で力行、制動運転が繰り返えされると、直流電源１の放電、充電動作のくり返し頻度が高くなり、バッテリーのサイクル寿命（許容サイクル数）が問題となる。この場合、バッテリーの交換が必要な場合がある。一方、ＥＤＬＣはバッテリーに比べ、寿命が長く（許容サイクル数が高く）、充放電サイクル数が実用的に問題とならない蓄電デバイスであるが、充放電によって、その電圧は大きく変動する蓄電デバイスである。
【００８８】
図２０はＥＤＬＣを蓄電量と端子電圧の特性を示したものである。図２０からＥＤＬＣは放電が進むほど電圧が低下する特性であることを示している。図２６に示した電気システムの直流電源としてＥＤＬＣとした場合、放電が進むほど電圧が下がるので前述したように、図２７の高速域では電池とした場合に比べて出力特性が更に悪化するので、直流電源としてサイクル耐量から望ましい電源であるが、出力特性が不十分な電気システムになってしまう。
【００８９】
本発明の電気システムは、直流電源電圧以上の電圧をインバータに給電することができるので、ＥＤＬＣをインバータの電源とする電気システムにはこの特性を発揮するシステムとなり、図１９はその一実施例である。図１９で、１１は直流電源１からＥＤＬＣ１０への充電またはＥＤＬＣ１０から直流電源１への回生（ＥＤＬＣの放電）を行うチョッパであり、このチョッパ１１の制御は公知のＥＤＬＣの充放電制御であるので、ここでの説明は省略する。
【００９０】
図２１は、図１９の電気システムを電気自動車に適用した場合の代表的な運転パターンの電力波形について示したものである。時間ｔ1 から時間ｔ2 が加速運転で車両は加速し、時間ｔ2 で目標速度に入り、定速運転に入る。時間ｔ3 で惰行運転に入り、時間ｔ4 でブレーキ動作に入り、時間ｔ5 で車両は停止する。時間ｔ6 で再度車両は加速運転に入り
、時間ｔ1 からの加速運転と同じ運転パターンに入る。図２１で、力行運転の最大電力はＰPMAXで、定速運転ではＰSSで、一般的にはＰPMAXの数分の１程度である。最大制動電力はＰBMAXで、ＰPMAXより大きい。
【００９１】
図２１で、破線は時間ｔ1 から時間ｔ6 までのインバータの入力の平均電力を示したものである。すなわち、時間ｔ1 から時間ｔ4 までの電力はＥＤＬＣ１０から放電し（図中、右下がり斜線で表示した電力）、時間ｔ4 から時間ｔ5 ではＥＤＬＣに制動電力が吸収される（図中、左下がり斜線で表示した電力）。時間ｔ1 から時間ｔ6 までのＥＤＬＣの放電・充電電力の平均値がＰAVE となるので、図１９の電気システムでは、ＰAVE はチョッパ１１の出力となる。
【００９２】
図１、図１３に示した実施例で、直流電源をバッテリーとした場合、図２１に示したインバータ２の入力がそのまま、バッテリーの電力となるが、図１９の実施例ではチョッパ１１の出力は前述の平均電力になるので、バッテリーの電力は平均化され、且つ最大電力が大幅に低減される。上述のように、バッテリーのＤＯＤは大幅に小さくなるのでバッテリーの寿命が大幅に伸びる。
【実施例１１】
【００９３】
実施例１１は、前述した燃料電池搭載車の課題解決のための実施例である。実施例１１の基本電気システムを図２２に示す。図２２の基本システムは図１９の基本電気システムの直流電源１を燃料電池１２とし、燃料電池１２からチョッパ１３を介してＥＤＬＣ１４に給電するようにした電気システムである。電気システムとしての基本動作および基本性能は図１９と同じであるので詳述は省略する。但し、図１９のシステムでは直流電源１は回生電力の一部または全部を吸収するが、図２２の直流電源は燃料電池１２であるので電力は吸収出来ない。
【００９４】
力行時、走行電力（インバータ電力）の平均電力を燃料電池１２からチョッパ１３を介して給電する。走行電力（インバータ電力）が燃料電池１２の出力より大きい時は、この差電力はＥＤＬＣ１４から給電する。小さい時はその余剰電力はＥＤＬＣ１４に充電する。制動時、回生電力は全てＥＤＬＣ１４に回生する。図２２の実施例では、１４がＥＤＬＣの場合で説明したが、当然１４をバッテリーに替えても適用できることは勿論である。
【実施例１２】
【００９５】
実施例１２は、エンジン発電機により電池に給電して電池搭載車の課題解決のための実施例である。実施例１２の基本電気システムを図２３に示す。図２３の基本システムは図１の基本電気システムの直流電源１を発電用エンジン１５で駆動される発電機１６から整流器１７で直流電源１８に給電するようにした電気システムである。電気システムとしての基本動作および基本性能は図１と同じであるので詳述は省略する。エンジン１５から直流電源１８を充電する技術につては公知であるのでここでの詳述は省略する。
【実施例１３】
【００９６】
実施例１３は、本発明を電気自動車への適用した実施例である。図２４は図１に示した本発明の電気システムを電気自動車に適用した電気システムの一例を示した図である。図２４はインホイールモータ式の電気自動車で、４輪を個々のモータで駆動する４輪駆動電気自動車の例である。図２４で図１と同じ構成要素は同じ番号で示してある。図２４で１００から１０３は車輪駆動部である。車両駆動部１００はモータ３ａを組み込んだインホイールモータ駆動車輪１００ａとインバータ２ａで構成される。
【００９７】
同様に車輪駆動部１０１は、車輪駆動部１００と同じ構成で、モータ３ｂを組み込んだインホイールモータ駆動車輪１００ｂとインバータ２ｂで構成され、車輪駆動部１０２は
モータ３ｃを組み込んだインホイールモータ駆動車輪１００ｃとインバータ２ｃで構成され、車両駆動部１０３はモータ３ｄを組み込んだインホイールモータ駆動車輪１００ｄとインバータ２ｄで構成される。２ａ、２ｂ、２ｃおよび２ｄは図１に示したインバータ２に対応したインバータで直流電源１とチョッパ８と図示のように接続して直流電源１とチョッパ８の出力電圧とを加算した電圧を夫々のインバータ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄに給電する。
【００９８】
図２４に示した電気自動車で、個々の車輪の駆動または制動とその制御については一般的な電気自動車の場合と同じであり、この説明は本発明の主旨ではないので詳述は省略する。また、図２４は図１の電気システムを適用した実施例であるが、当然図１３、図１９、図２２および図２３に示した電気システムが適用できることは勿論である。図２４で、駆動車輪数を２にすれば、電動バイクの場合となる。電動バイクについてもここでの詳述は省略する。
【実施例１４】
【００９９】
実施例１４は、本発明をハイブリッド自動車への適用した実施例である。図２５は図１に示した本発明の電気システムをハイブリッド自動車に適用した電気システムの一例を示した図である。図２５は４輪のうち２輪をインホイールモータ式電気駆動とし、他の２輪はモータおよびエンジン駆動のパラレル方式のハイブリッド自動車の場合で示してある。図２５でインホイールモータ式電気駆動部は図２４と同じとして示し、同じ構成要素は同じ番号で示してある。図２５で１１０はトランスミッションを組み込んだエンジンで、１１１はエンジン出力とモータ１１２の出力を結合する動力結合部である。動力結合部の出力は差動ギアー１１３で左右車輪１１４ａと１１４ｂを駆動する。モータ１１２はインバータ１１５で駆動される。
【０１００】
図２５に示したハイブリッド自動車で、インホイールモータ式電気駆動の２輪およびモータ／エンジンパラレル駆動の他の２輪の駆動または制動とその制御については一般的な電気自動車およびハイブリッド自動車の場合と同じであるので、この説明は本発明の主旨ではないので詳述は省略する。また、図２５は図１の電気システムを適用した実施例であるが、当然図１２、図１９、図２２および図２３の電気システムが適用できることは勿論である。
【０１０１】
電気駆動車両の回生制動力不足は、高速域での電動機電圧が電池電圧で決まった電圧以上に高められないことにある。本発明は、電池とインバータとの間にチョッパを接続してインバータの入力電圧が電池電圧とチョッパの出力電圧の和になるようにして電池電圧以上の電圧がインバータに印加できるようにする。このため、チョッパは入力端子の一方と出力端子の一方を共通にした出力電圧反転形電流双方向チョッパとして、電池の一方の端子からインバータの一方の端子に、チョッパの非共通端子からインバータの他方の端子に給電するようにする。本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明では、直流電源からインバータでモータを駆動し、モータ駆動時はインバータを介して電源に回生する電気システムであって、直流電源とインバータとの間にチョッパを等価的に直列に挿入して、チョッパの出力電圧を直流電源に重畳してその和の電圧をインバータに印加してインバータ入力電圧を直流電源の電圧以上にしてモータの中・高速域での電動機電圧を高めて高出力を得るようにした電気システムであるので次の産業分野の機器、システムに大いに利用可能である。
その１  車載電池を電源として走行する車両、例えば電気自動車、内燃機関・電池併用ハイブリッド自動車、電動バイクの電気システム。
その２  車載の燃料電池を電源として走行する燃料電池電気自動車の電気システム。
その３  車外の直流電源で駆動される電気鉄道車両の車両駆動電気システム
その４  建機の車両駆動および電気駆動の電気システム
【符号の説明】
【０１０３】
１、１８  直流電源
２、２ａ〜２ｄ  インバータ
３、３ａ〜３ｄ、１１２  モータ
４、５、１１、１３  出力電圧非反転形電流双方向昇圧（又は降圧）チョッパ
６  出力電圧非反転形電流双方向昇降圧チョッパ
７  出力電圧反転形電流単方向昇降圧チョッパ
８、９  出力電圧反転形電流双単方向昇降圧チョッパ
１０、１４  電気二重層キャパシタ
１２  燃料電池
１５  発電用エンジン
１６  発電機
１７  整流器
５１  蓄電装置
６１、６２、６３、６４、７１、８１，８２、９１，９２  半導体スイッチ
６１ａ、６２ａ、６３ａ、６４ａ、７１ａ、８１ａ、８２ａ、９１ａ、９２ａ  半導体スイッチ素子
６１ｂ、６２ｂ、６３ｂ、６４ｂ、７１ｂ、７２、８１ｂ、８２ｂ、９１ｂ、９２ｂ、８７、９７  ダイオード
６５、７３、８３、９３  インダクタ
７６、８４，９４  共通端子線
６６、７４、８５，９５  チョッパ入力電圧平滑用キャパシタ
６７、７５、８６、９６  チョッパ出力電圧平滑用キャパシタ
１００、１０１，１０２，１０３  車輪駆動部
１００ａ、１０１ａ、１０２ａ、１０３ａ  インホイールモータ駆動車輪
１１０  エンジン
１１１  動力結合部
１１３  デフギアー
１１４ａ、１１４ｂ  車輪
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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