JP2000278806A - 電気自動車の電源システム - Google Patents

電気自動車の電源システム

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JP2000278806A JP11075987A JP7598799A JP2000278806A JP 2000278806 A JP2000278806 A JP 2000278806A JP 11075987 A JP11075987 A JP 11075987A JP 7598799 A JP7598799 A JP 7598799A JP 2000278806 A JP2000278806 A JP 2000278806A
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Atsushi Yamada
淳 山田
Michio Okamura
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Masaaki Yamagishi
政章 山岸
Shigenori Kinoshita
繁則 木下
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Fuji Electric Co Ltd
UD Trucks Corp
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Power System Co Ltd
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OKAMURA KENKYUSHO KK
Fuji Electric Co Ltd
UD Trucks Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気自動車の電源システムにおいて、小型軽
量化と高効率化をはかる。 【解決手段】 走行用モータ６に電力を供給する主蓄電
装置４と、主蓄電装置４に電気二重層キャパシタセル１
によって構成される３つの電池ブロック１０，１１，１
２と、主蓄電装置４の電圧Ｖｃが規定値Ｖ１以上となる
ように電気二重層キャパシタセル１００，１１０，１２
０の充放電による電圧変化に対応して直列に接続される
電池ブロック１０，１１，１２の数を切換えるブロック
接続切換回路１３とを備える。

Description

【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
シタセルを主蓄電装置に用いた電気自動車の電源システ
ムの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】電気自動車等に搭載される主蓄電装置
は、車両の加速時および定速走行時に放電、制動時に充
電を繰り返し、その作動回数は数万回にも達するが、主
蓄電装置として化学電池は充放電サイクル寿命が短く、
かつ高出力作動時の効率が悪いため、近年、主蓄電装置
として電気二重層キャパシタセルが着目されている。
【０００３】図１２はシリーズ式ハイブリッド車に搭載
される主蓄電装置に電気二重層キャパシタセルを適用し
た電気システムの公知の基本構成例を示す。エンジン１
は発電機２を駆動し、発電機２で発電される電力が整流
器３を介して主蓄電装置４に供給されるとともに、イン
バータ５を介して走行用モータ６に供給される。図示し
ない車輪は走行用モータ６によって駆動される。図にお
いて、８は化学電池で構成される補助蓄電装置、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。
【０００４】主蓄電装置４は、多数の電気二重層キャパ
シタセル４１，４２，４３，…が直列に接続され、従来
の化学二次電池を電気二重層キャパシタセルに置き換え
たシステムとなっている。
【０００５】加速時または定速走行時に、発電機２で発
生した電力の一部または全部が主蓄電装置４に充電さ
れ、発電機２で発生した電力と主蓄電装置４の電力がイ
ンバータ５を介して走行用モータ６に供給される。制動
時に、走行用モータ６に発生した制動電力がインバータ
５を介して主蓄電装置４に回生される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、電気二重層
キャパシタセル４１，４２，４３，…の蓄電エネルギは
キャパシタセル４１，４２，４３，…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キャパシタセル４１，４
２，４３，…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。
【０００７】主蓄電装置４とインバータ５の間にチョッ
パ回路４４を挿入して、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が、チョッパ回路４４は電流
平滑用リアクトルが必須であり、このリアクトル電流は
主蓄電装置４の電圧に反比例するので、主蓄電装置４の
電圧が半減するとリアクトル電流は２倍にもなる。この
ため、主蓄電装置４の電圧の変動が大きいと、チョッパ
回路４４が大型化し、効率が低下するという問題点があ
った。
【０００８】また、特開平８−１６８１８２号公報とし
て電気二重層キャパシタセルを用いた電源装置が提案さ
れている。
【０００９】本発明は上記の問題点を鑑みてなされたも
のであり、電気自動車の電源システムの小型軽量化と高
効率化をはかることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、走行用モ
ータに電力を供給する主蓄電装置を備え、主蓄電装置を
複数の電気二重層キャパシタセルによって構成する電気
自動車の電源システムに適用する。
【００１１】そして、主蓄電装置に電気二重層キャパシ
タセルによって構成される複数の電池ブロックと、主蓄
電装置の電圧が規定値以上となるように電気二重層キャ
パシタセルの充放電による電圧変化に対応して直列に接
続される電池ブロックの数を切換えるブロック接続切換
回路とを備えるものとした。
【００１２】第２の発明は、第１の発明において、主蓄
電装置の電圧が規定値以下となるように各電池ブロック
に蓄えられる電力を漸次変えるものとした。
【００１３】第３の発明は、第１または第２の発明にお
いて、ブロック接続切換回路を双方向通流型半導体スイ
ッチで構成するものとした。
【００１４】第４の発明は、第３の発明において、双方
向通流型半導体スイッチを互いに逆並列接続される対の
サイリスタで構成するものとした。
【００１５】第５の発明は、第３の発明において、双方
向通流型半導体スイッチを互いに逆並列接続される対の
逆阻止型ＧＴＯサイリスタで構成するものとした。
【００１６】第６の発明は、第３の発明において、双方
向通流型半導体スイッチを互いに逆極性に直列接続され
る対のトランジスタと、各トランジスタに対して逆並列
に接続されるダイオードで構成するものとした。
【００１７】
【発明の作用および効果】第１の発明において、各キャ
パシタ電池ブロックの蓄電エネルギはキャパシタセルの
電圧の２乗に比例するため、充放電による蓄積エネルギ
の変化でキャパシタブロックの電圧が大きく変動する
が、ブロック接続切換回路が各キャパシタ電池ブロック
の充放電に応じてこれらを必要数だけ直列に接続するこ
とにより、主蓄電装置の電圧の変動が抑えられる。この
ため、主蓄電装置の電圧を略一定にするチョッパ回路の
小形軽量化、高効率化がはかれ、長寿命な電気自動車の
電源システムを実現できる。
【００１８】第２の発明において、各電池ブロックに蓄
えられる電力を漸次変えて、主蓄電装置の電圧が規定値
以下となるように設定することにより、電池ブロック接
続時に主蓄電装置の電圧が過大になることが抑えられ
る。このため、主蓄電装置の電圧を略一定にするチョッ
パ回路の小形軽量化、高効率化がはかれ、長寿命な電気
自動車の電源システムを実現できる。
【００１９】第３の発明において、双方向通流型半導体
スイッチは主蓄電装置の放電又は充電の電流の向きに対
応して自動的に通流する。
【００２０】第４の発明において、電流の向きと無関係
に逆並列に接続されたサイリスタの両方にオンオフ信号
を与えることにより、主蓄電装置の放電又は充電の電流
の向きに対応して自動的に通流する。
【００２１】第５の発明において、電流の向きと無関係
に逆並列に接続された逆阻止型ＧＴＯサイリスタの両方
にオンオフ信号を与えることにより、主蓄電装置の放電
又は充電の電流の向きに対応して自動的に通流する。
【００２２】第６の発明において、電流の向きと無関係
に逆極性に直列接続されたトランジスタの両方にオンオ
フ信号を与えることにより、主蓄電装置の放電又は充電
の電流の向きに対応して自動的に通流する。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、本発明をシリーズ式ハイブ
リッド車に搭載される主蓄電装置に適用した電気システ
ムの実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２４】図１に示すように、エンジン１は発電機２
を駆動し、発電機２で発電される電力が整流器３を介し
て主蓄電装置４に供給されるとともに、インバータ５を
介して走行用モータ６に供給される。主蓄電装置４とイ
ンバータ５の間に昇降圧チョッパ回路４４が介装され、
インバータ５の入力電圧を一定にするようになってい
る。図示しない車輪は走行用モータ６によって駆動され
る。図において、８は化学電池で構成される補助蓄電装
置、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。
【００２５】主蓄電装置４は、３つのキャパシタ電池ブ
ロック１０，１１，１２と、ブロック接続切換回路１３
とで構成される。なお、キャパシタ電池ブロック数は２
つ以上あればよい。
【００２６】各キャパシタ電池ブロック１０，１１，１
２は、それぞれ複数の電気二重層キャパシタセル１０
０，１１０，１２０を直並列接続している。キャパシタ
電池ブロック１０，１１，１２の電圧極性は同一極性と
する。
【００２７】図２に示すように、ブロック接続切換回路
１３はスイッチ１３０，１３１，１３２を備え、これら
がオンオフされることで各キャパシタ電池ブロック１
０，１１，１２を必要数だけ直列に接続する。各スイッ
チ１３０，１３１，１３２は双方向通流型の半導体スイ
ッチで構成される。図２において各電池ブロック１０，
１１，１２のキャパシタセルの表示は省略してある。
【００２８】図３に示すように、ブロック接続切換回路
１３のスイッチ１３０はサイリスタ１３０ａ，１３０ｂ
を逆並列に接続して構成される。動作モードによってス
イッチ１３０がオンオフされるとき、電流の向きと無関
係に逆並列に接続されたサイリスタ１３０ａ，１３０ｂ
の両方にオンまたはオフ信号を与えることにより、主蓄
電装置４の放電又は充電の電流の向きに対応して自動的
に通流する。スイッチ１３１，１３２も同様な構成であ
るので説明は省略する。
【００２９】ブロック接続切換回路１３は、主蓄電装置
４の電圧が規定値Ｖ１以上となるように電気二重層キャ
パシタセル１００，１１０，１２０の充放電による電圧
変化に対応して電池ブロック１０，１１，１２の接続を
切換えるようになっている。図４は図２の回路構成につ
いて、主蓄電装置４の電圧Ｖｃの挙動を放電動作の場合
について示したものである。図５は図３の動作モードに
対応した図２の等価回路を示す。
【００３０】モードＩではスイッチ１３０をオン、スイ
ッチ１３１，１３２をオフする。主蓄電装置４の電圧は
電池ブロック１０の電圧となり、図５に示す(ａ）の回
路となる、キャパシタセルの電流は電池ブロック１０か
らのみの放電となり、電池ブロック１０の電圧Ｖ０が図
４のモードＩに示すように低下して行く。主蓄電装置４
の電圧Ｖｃが規定値Ｖ１になったら、スイッチ１３１を
オンして、スイッチ１３０をオフする。これにより、主
蓄電装置４はキャパシタ電池ブロック１０，１１の直列
接続となり、図５の(ｂ)の回路となる。主蓄電装置４の
電圧Ｖｃはキャパシタ電池ブロック１０，１１の和の電
圧Ｖ２となる。この回路での動作が図４のモードIIであ
る。Ｖ２はＶ０と略等しい値になる様、キャパシタ電池
ブロック１１の電圧は選定される。
【００３１】モードIIで放電が更に進むと、キャパシタ
電池ブロック１０，１１が放電して電圧ＶｃがＶ１まで
低下すると、スイッチ１３２をオンして、スイッチ１３
０，１３１をオフする。これにより、主蓄電装置４はキ
ャパシタ電池ブロック１０，１１，１２の直列接続とな
り、図５の(ｃ)の回路となる。キャパシタ電池ブロック
１０，１１，１２の和の電圧が出力電圧Ｖ３になる。キ
ャパシタ電池ブロック１２の電圧Ｖ３がＶ０と略等しく
なるように選定される。この回路での動作が図４の動作
モードIIIである。
【００３２】モードIIIで、放電が進むと電圧Ｖ３が低
下して規定電圧値Ｖ１に達したら、各キャパシタ電池ブ
ロック１０，１１，１２の放電動作は終了となる。
【００３３】上記電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の最大値が略等
しくなるように、各電池ブロック１０，１１，１２に蓄
えられる電力を漸次小さく設定している。これにより、
電池ブロック１０に対して電池ブロック１１，１２が接
続されるときの電圧を規定値以下に抑えられる。
【００３４】主蓄電装置４が充電される場合は、前述し
た主蓄電装置４が放電される場合の動作の逆となるの
で、詳述は省略する。
【００３５】図６はチョッパ回路４４の回路構成を示
し、図において、４４１，４４２は半導体スイッチで、
同図ではトランジスタの場合で示してある。４４３，４
４４はダイオードで図示のように半導体スイッチ４４
１，４４２に逆並列に接続される。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。
【００３６】加速および定速走行時に、主蓄電装置４の
電圧Ｖｃはインバータ５の入力電圧より下がるのと、チ
ョッパ回路４４は、図７に示すように、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
イッチングし、半導体スイッチ４４２はオフする。
【００３７】回生制動時に、チョッパ回路４４は図８に
示すように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をスイッチングし、半導体スイッ
チ４４１をオフする。
【００３８】図９は図６のチョッパ回路４４の動作を説
明する図である。モードＩは加速、定遠走行時、モード
IIは蛇行時、モードIIIは制動時の動作を示す。加速、
定速走行時は主蓄電装置４は放電して、電池電圧Ｖｃは
減少するが、チョッパ回路４４の昇圧動作により、イン
バータ５の入力電圧Ｖｉは一定に保たれる。チョッパ回
路４４の電流Ｉｃ（図６のリアクトルの電流）は主蓄電
装置４の電圧低下に応じて増大する。モードIIIの回生
制動では、チョッパ回路４４の降圧チョッパ動作によ
り、チョッパ回路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に充電する。チョッパ回路４４
の電流Ｉｃは主蓄電装置４の電圧Ｖｃの上昇に応じて減
少する。
【００３９】各キャパシタ電池ブロック１０，１１，１
２の蓄電エネルギはそれぞれの電圧の２乗に比例するた
め、充放電による蓄積エネルギの変化でそれぞれの電圧
が大きく変動するが、ブロック接続切換回路１３が各キ
ャパシタ電池ブロック１０，１１，１２の充放電に応じ
てこれらを必要数だけ直列に接続することにより、主蓄
電装置４の電圧Ｖｃの変動が抑えられる。チョッパ回路
４４は電流平滑用リアクトル４４５を備え、このリアク
トル電流は主蓄電装置４の電圧Ｖｃに反比例するので、
主蓄電装置４の電圧Ｖｃの変動が抑えられることによ
り、チョッパ回路４４の小形軽量化、高効率化がはか
れ、長寿命な電気自動車の電源システムを実現できる。
【００４０】ブロック接続切換回路１３の半導体スイッ
チ１３０は、回路切換え時のみのスイッチング動作で、
定常時にスイッチングを行わず、かつ通流する半導体ス
イッチは１素子で済むので、高効率な電源システムが実
現できる。
【００４１】図１０はキャパシタ電池切換回路１３のス
イッチ１３０の第二の実施形態を示すもので、スイッチ
１３０は逆阻止型ＧＴＯサイリスタ１３０ｃ，１３０ｄ
を逆並列に接続して構成される。動作モードによってス
イッチ１３０がオンオフされるとき、電流の向きと無関
係に逆並列に接続された逆阻止型ＧＴＯサイリスタ１３
０ｃ，１３０ｄの両方にオンまたはオフ信号を与えるこ
とにより、主蓄電装置４の放電又は充電の電流の向きに
対応して自動的に通流する。スイッチ１３１，１３２も
同様な構成であるので説明は省略する。
【００４２】図１１はキャパシタ電池切換回路１３のス
イッチ１３０の第三の実施の形態を示すもので、スイッ
チ１３０はトランジスタ１３０ｅ，１３０ｆを逆極性に
直列接続し、同様にダイオード１３０ｇ，１３０ｈをト
ランジスタ１３０ｅ，１３０ｆに対して逆並列に接続し
て構成される。動作モードによってスイッチ１３０がオ
ンオフされるとき、電流の向きと無関係に逆極性に直列
接続されたトランジスタ１３０ｅ，１３０ｆの両方にオ
ンまたはオフ信号を与えることにより、主蓄電装置４の
放電又は充電の電流の向きに対応して自動的に通流す
る。スイッチ１３１，１３２も同様な構成であるので説
明は省略する。
【００４３】以上、シリーズ式ハイブリッド電気自動車
の場合で説明したが、本発明はパラレル式ハイブリッド
電気自動車や発電機を搭載しない電気自動車、燃料電池
を電源とする電気自動車をはじめとする他の電気自動車
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】本発明の実施の形態を示す電気自動車の電源シ
ステムの構成図。
【図２】同じくブロック接続切換回路の回路図。
【図３】同じくスイッチの回路図。
【図４】同じく動作説明図。
【図５】同じく動作説明図。
【図６】同じくチョッパ回路の回路図。
【図７】同じくチョッパ回路の動作説明図。
【図８】同じくチョッパ回路の動作説明図。
【図９】同じく動作説明図。
【図１０】他の実施の形態を示すスイッチの回路図。
【図１１】さらに他の実施の形態を示すスイッチの回路
図。
【図１２】従来例を示す電気自動車の電源システムの構
成図。
【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 走行用モータ １０ 電池ブロック １１ 電池ブロック １２ 電池ブロック １３ ブロック接続切換回路 １００ 電気二重層キャパシタセル １１０ 電気二重層キャパシタセル １２０ 電気二重層キャパシタセル １３０ 双方向通流型スイッチ １３０ａ サイリスタ １３０ｂ サイリスタ １３０ｃ 逆阻止型ＧＴＯサイリスタ １３０ｄ 逆阻止型ＧＴＯサイリスタ １３０ｅ トランジスタ １３０ｆ トランジスタ １３０ｇ ダイオード １３０ｈ ダイオード １３１ 双方向通流型スイッチ １３２ 双方向通流型スイッチ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｊ 7/14 Ｈ０２Ｊ 7/14 Ｈ // Ｂ６０Ｋ 6/02 Ｂ６０Ｋ 9/00 Ｃ (71)出願人 000005234 富士電機株式会社 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 (72)発明者 渡邉 慶人 埼玉県上尾市大字壱丁目一番地 日産ディ ーゼル工業株式会社内 (72)発明者 山田 淳 埼玉県上尾市大字壱丁目一番地 日産ディ ーゼル工業株式会社内 (72)発明者 岡村 廸夫 神奈川県横浜市南区南太田２丁目19番６号 株式会社岡村研究所内 (72)発明者 山岸 政章 神奈川県横浜市金沢区福浦１−１−１横浜 金沢ハイテクセンター・テクノコア３Ｆ 株式会社パワーシステム内 (72)発明者 木下 繁則 東京都日野市富士町一番地 富士電機株式 会社内 Ｆターム(参考） 5G003 AA07 BA05 CA11 CC02 CC04 DA04 DA16 EA06 FA06 GA01 GA02 GB03 GB06 5G060 AA04 BA08 CA02 DA01 DA02 DB08 DB09 5H115 PC06 PG04 PI16 PI24 PO01 PO06 PO10 PU01 PU21 PV08 PV27 RB19 SE06 TI05 TI06 TO13 TR19 TU06

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】走行用モータに電力を供給する主蓄電装置
    を備え、 前記主蓄電装置を複数の電気二重層キャパシタセルによ
    って構成する電気自動車の電源システムにおいて、 前記主蓄電装置に前記電気二重層キャパシタセルによっ
    て構成される複数の電池ブロックと、 前記主蓄電装置の電圧が規定値以上となるように前記電
    気二重層キャパシタセルの充放電による電圧変化に対応
    して直列に接続される前記電池ブロックの数を切換える
    ブロック接続切換回路とを備えたことを特徴とする電気
    自動車の電源システム。
  2. 【請求項２】前記主蓄電装置の電圧が規定値以下となる
    ように前記各電池ブロックに蓄えられる電力を漸次変え
    ることを特徴とする請求項１に記載の電気自動車の電源
    システム。
  3. 【請求項３】前記ブロック接続切換回路を双方向通流型
    半導体スイッチで構成したことを特徴とする請求項１ま
    たは２に記載の電気自動車の電源システム。
  4. 【請求項４】前記双方向通流型半導体スイッチを互いに
    逆並列接続される対のサイリスタで構成したことを特徴
    とする請求項３に記載の電気自動車の電源システム。
  5. 【請求項５】前記双方向通流型半導体スイッチを互いに
    逆並列接続される対の逆阻止型ＧＴＯサイリスタで構成
    したことを特徴とする請求項３に記載の電気自動車の電
    源システム。
  6. 【請求項６】前記双方向通流型半導体スイッチを互いに
    逆極性に直列接続される対のトランジスタと、 前記各トランジスタに対して逆並列に接続されるダイオ
    ードで構成したことを特徴とする請求項３に記載の電気
    自動車の電源システム。
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