JP3617183B2

JP3617183B2 - 電気自動車の電源装置

Info

Publication number: JP3617183B2
Application number: JP11388996A
Authority: JP
Inventors: 研司江崎; 耕野崎
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1996-05-08
Filing date: 1996-05-08
Publication date: 2005-02-02
Anticipated expiration: 2016-05-08
Also published as: US5883496A; JPH09308013A; EP0807546B1; DE69719848D1; DE69719848T2; EP0807546A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気自動車の電源装置、特に小型軽量化を図ることができる電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、蓄電装置に蓄電された電力によりモータを駆動し、走行する電気自動車が種々知られている。これらの電気自動車としては、内燃機関の主軸に連結されたモータと蓄電装置との間をインバータ回路を介して接続し、電力の授受を行う内燃機関−蓄電装置ハイブリッド電気自動車、燃料電池や太陽電池と蓄電装置との間をコンバータ回路を介して電力の授受を行う発電型電池−蓄電装置ハイブリッド電気自動車、蓄電装置のみにより駆動される電気自動車等がある。これらの電気自動車においては、制動時のエネルギを電気エネルギに変換し、蓄電装置を充電するいわゆる回生システムも備えられている。
【０００３】
これら従来の電気自動車に使用される蓄電装置としては、鉛蓄電池やニッケル水素電池等の蓄電池及び電気二重層キャパシタ等の大容量コンデンサが考えられる。
【０００４】
この電気自動車の蓄電装置は、車両加速性能に対応できる出力特性や車両の航続距離及び加速持続距離を向上させることができるエネルギ量を備える必要があり、また制動回生時における高い大電力受入性を備える必要もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の電気自動車においては、通常単一の蓄電装置が使用されており、上述の要求を全て満たそうとすると、蓄電装置の体積が大きくなると共に重量も重くなり、車載上大きな問題となっていた。
【０００６】
一方、車載上の制約から、蓄電装置の容量を小さく設計した場合には、電力の出力時及び回生電力の受入れ時に急速充放電や過充放電が生じて蓄電装置の寿命を低下させるという問題もあった。
【０００７】
特に、蓄電装置を内燃機関や発電型電池と共に搭載させるハイブリッド電気自動車の場合には、車載スペースや重量における制約が大きくなるので、蓄電装置をより小型化、軽量化する必要がある。
【０００８】
これらの対策として、特開平５−３０６０８号公報には、大容量コンデンサと蓄電池とを併用する技術が開示されている。本従来例においては、車両の大きな加速、減速時の充放電を主として大容量コンデンサに分担させる構成となっている。しかし、既存の大容量コンデンサのエネルギ密度は、従来の蓄電池のエネルギ密度に比べ、１／４〜１／３５と小さく、システム全体としてのエネルギ密度が低下するという問題があった。また、コンデンサは重量当たりの出力すなわち出力密度（Ｗ／ｋｇ）と重量当りの回生受入能力すなわち回生パワー密度（Ｗ／ｋｇ）は大きいが、比重が蓄電池の比重に比べ約３／５と小さいため、体積基準の出力密度（Ｗ／Ｌ）及び回生パワー密度（Ｗ／Ｌ）は小さく、体積がかさばるという問題もあった。
【０００９】
本発明は上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、高い出力密度及び回生パワー密度を有し、小型軽量化を図ることができる電気自動車の電源装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明は、蓄電装置に蓄電された電力によりモータを駆動するとともに、モータからの回生電力を蓄電装置に受入れる電気自動車の電源装置であって、蓄電装置に含まれ、充電状態（ＳＯＣ）の低下とともに回生パワー密度が増加する第１の電池と、蓄電装置に含まれ、ＳＯＣの上昇とともに出力密度が増加する第２の電池と、第１の電池のＳＯＣを所定の第１の値以下に維持し、第２の電池のＳＯＣを所定の第２の値以上に維持するＳＯＣ管理手段と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
また、第２の発明は、第１の発明の電気自動車の電源装置において、第１の電池及び第２の電池がともにリチウムイオン電池またはリチウムポリマ電池であることを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、回生電力の受入れは主として第１の電池で行い、モータを駆動するための出力は主として第２の電池から行うので、回生パワー密度及び出力密度とも高い状態で電池を使用することができる。
【００１３】
また、第３の発明は、第１の発明または第２の発明の電気自動車の電源装置において、蓄電装置からモータへ電力を供給するときのみ第２の電池を前記モータに接続することを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、第２の電池は、モータへ電力を供給するときのみモータと接続され回生時にはモータと切り離されているので、回生電力が第２の電池に流れ込むことによる過充電を防止することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１には、本発明に係る電気自動車の電源装置の実施形態のブロック図が示される。図１において、電源装置１０は、充電状態（ＳＯＣ）が低い状態に維持されている第１の電池１２とＳＯＣが高い状態に維持されている第２の電池１４とを含み、ＳＯＣ管理回路１６が第１の電池のＳＯＣを、ＳＯＣ管理回路１８が第２の電池のＳＯＣをそれぞれ管理している。本実施形態では上記第１の電池１２と第２の電池１４とで本発明の蓄電装置が構成されている。
【００１７】
本実施形態に係る電源装置１０においては、第１の電池１２として、ＳＯＣの低下と共に単位重量（ｋｇ）あるいは単位体積（Ｌ）当りの回生電力の受け入れ能力すなわち回生パワー密度が増加する電池が使用され、第２の電池１４としてＳＯＣの増加と共に前述した単位重量あるいは単位体積当りの電力の出力能力すなわち出力密度が増加する電池が使用されている。これにより、インバータ２８を介してモータ３２に駆動電力を供給する場合には、主として第２の電池１４から電力の供給が行われ、モータ３２からインバータ２８を介して回生されてくる電力の受け入れは主として第１の電池１２で行われることになる。このような構成により、２つの電池のうち回生受け入れ及び出力をそれぞれ能力の高い方の電池で行うことができ、装置のトータルの能力として出力密度及び回生パワー密度を向上させることができる。
【００１８】
このためＳＯＣ管理回路１６は、第１の電池１２のＳＯＣを監視し、第１の電池１２から第２の電池１４へ充電回路２０を介して充電を行わせたり、回生されてきた電流を第１の電池１２に受け入れず、バイパス回路２２を介してアースに落とすこと等により、第１の電池１２のＳＯＣが所定の値以下に維持されるよう制御している。この所定の値が本発明に係る第１の値に相当する。なお、充電回路２０としては、ＤＣ／ＤＣコンバータあるいはレギュレータ等が使用される。
【００１９】
更にＳＯＣ管理回路１６は、第１の電池１２のＳＯＣが所定の下限値よりも低い場合、オルタネータ２４から充電を行わせ、第１の電池１２のＳＯＣが下限値以上に維持される制御を行うように構成するのも好適である。
【００２０】
また、ＳＯＣ管理回路１８は、第２の電池１４のＳＯＣを監視し、この値が所定の値以下になった場合に第１の電池１２から充電を受け入れたり、オルタネータ２４からの充電を行って第２の電池１４のＳＯＣを所定の値以上に維持するよう制御している。この所定の値が本発明に係る第２の値に相当する。
【００２１】
なおＳＯＣ管理回路１８は、第２の電池１４のＳＯＣが所定の上限値以上になった場合に、第２の電池１４の過充電を防止するためバイパス回路２６から回生電流をアースに落とす制御を行うよう構成することも好適である。
【００２２】
ここで、以上に述べたＳＯＣ管理回路１６、１８が本発明に係るＳＯＣ管理手段を構成する。
【００２３】
第１の電池１２及び第２の電池１４は、インバータ２８に接続されており、インバータ２８からは制御装置３０の指示に従いモータ３２に三相電力が供給される。制御装置３０には、アクセル、ブレーキ等から信号が入力され、これらに基づいてインバータ２８を制御している。なおこの際には、上述したように、モータ３２の駆動電力は主として第２の電池１４から供給される。
【００２４】
また、車両の制動時には、モータ３２は誘導発電機として動作し、その発電電力は、インバータ２８を介して第１の電池１２及び第２の電池１４に回生される。この際には、上述したように、回生電力は主として第１の電池１２に受け入れられる。
【００２５】
電気自動車の蓄電装置として使用される電池としては、鉛蓄電池、ニッケル・水素電池、リチウムイオン電池等があるが、これらの電池のエネルギ密度が図２に示される。図２からわかるように、これらの電池の内では、リチウムイオン電池が最もエネルギ密度の高い電池であり、最大の小型・軽量化のメリットを得ることができる。従って、第１の電池１２及び第２の電池１４としてはリチウムイオン電池を使用するのが好適である。
【００２６】
図３には、リチウムイオン電池のＳＯＣに対する出力特性及び回生受け入れ特性が示される。図３において、横軸にはＳＯＣが示され、図の右にいくほどＳＯＣが増加する。また、縦軸には、出力特性と回生受け入れ特性が示される。出力特性は上述した出力密度としてあらわされており、横軸０よりも上方にいくほどその値が大きくなることを示している。また、回生受け入れ特性は、上述した回生パワー密度として示されており、横軸０よりも下方にいくほどその値が大きくなることを示している。
【００２７】
図３に示されるように、リチウムイオン電池においては出力密度及び回生パワー密度がＳＯＣの値によって大きく変化し、ＳＯＣが低下すると共に回生パワー密度が増加し出力密度が低下する。一方、ＳＯＣが増加すると共に回生パワー密度が大きく減少すると共に出力密度が増加する。
【００２８】
以上の性質により、モータからの回生電力を受け入れる電池はＳＯＣを低い状態に維持し、モータ３２に対して電力を供給する側の電池はＳＯＣを高い値に維持しておくことにより、それぞれの能力を十分に発揮させることができる。このため、単一の電池で回生受入れ及び駆動電力の出力を行わせる場合に比べ、装置全体の出力密度及び回生パワー密度が向上して電源装置１０の小型・軽量化を達成できる。なお、上述したような特性を有する電池としては、リチウムイオン電池のほかにリチウムポリマ電池等も考えられる。
【００２９】
図１に示された電源装置１０においては、上述したように、第１の電池１２及び第２の電池１４としてリチウムイオン電池が使用されているが、ＳＯＣ管理回路１６、１８によりこれらの電池のＳＯＣを管理するには、例えば、充放電電流を積算してＳＯＣを検知する方法がある。また、リチウムイオン電池として、負極活物質にグラファイトを用いずに、結晶性の低いカーボンを使用した場合、図４に示されるように、ＳＯＣの増加と共に端子間電圧がほぼ直線的に上昇する性質を有するので、このような形式のリチウムイオン電池では、端子間電圧によりＳＯＣを管理することもできる。
【００３０】
図５には、図１に示された電源装置１０における第１の電池１２のＳＯＣの制御フローが示される。本実施形態においては、第１の電池１２のＳＯＣの管理範囲が２５±１０％である例が示される。なおこの場合、前述した第１の値は、第１の電池１２のＳＯＣの３５％である。
【００３１】
図５において、ＳＯＣ管理回路１６の動作が開始されると、第１の電池１２のＳＯＣが１５％以下であるかどうかが確認される（Ｓ１）。第１の電池１２のＳＯＣが１５％以下である場合には、オルタネータ２４から第１の電池１２のＳＯＣが１５％を超えるまで充電するようにＳＯＣ管理回路１６から指示が出される（Ｓ２、Ｓ３）。
【００３２】
第１の電池１２のＳＯＣが１５％より大きい場合には、第２の電池１４のＳＯＣが８５％より小さいかどうかが確認される（Ｓ４）。
【００３３】
第２の電池１４のＳＯＣが８５％以上の場合には、第１の電池１２から第２の電池１４への充電は行われず、次に第１の電池１２のＳＯＣが３５％より大きいかどうかが確認される（Ｓ５）。第１の電池１２のＳＯＣが３５％より大きくない場合には、第１の電池１２の回生パワー密度が十分大きな状態なので、ＳＯＣ管理回路１６はバイパス回路２２を動作させず、この結果モータ３２からの回生電流が電池に受け入れられる（Ｓ６）。この時、主として回生電流を受け入れるのは、前述の通り第１の電池１２である。
【００３４】
一方、Ｓ５において第１の電池１２のＳＯＣが３５％より大きい場合には、これ以上回生電流を受け入れるとＳＯＣが増加し回生パワー密度が低下するので、ＳＯＣ管理回路１６がバイパス回路２２を動作させ、回生電流はすべてバイパス回路２２を介してアースに落とされる（Ｓ７）。以後、第１の電池１２のＳＯＣが３５％以下に低下するまでこの状態で第１の電池１２の回生電流の受け入れが停止される。
【００３５】
以上のような状態で、Ｓ４において第２の電池１４のＳＯＣが８５％より小さくなった場合には、第１の電池１２から充電回路２０を介して第２の電池１４へ充電が行われる（Ｓ８）。この充電は第２の電池１４のＳＯＣが８５％以上になるか（Ｓ９）。第１の電池１２のＳＯＣが１５％以下になるまで続けられる（Ｓ１０）。
【００３６】
なお、第１の電池１２から第２の電池１４へ充電が行われる場合に、バイパス回路２２が動作していないときには、モータ３２からの回生電流は第１の電池１２に受け入れられることになるが、この回生電流が大きく、第２の電池１４への充電量が少ない場合には、第１の電池１２のＳＯＣが更に増加することになる。そこで、第１の電池１２から第２の電池１４への充電を行うと共に、図５の破線ａの経路により、Ｓ５において第１の電池１２のＳＯＣが３５％より大きくならないかどうかを監視する構成とすることも好適である。
【００３７】
第２の電池１４のＳＯＣが８５％以上になるか、第１の電池１２のＳＯＣが１５％以下になると第２の電池１４への充電が停止される（Ｓ１１）。
【００３８】
次に第１の電池１２のＳＯＣが３５％より大きいか否かが確認され（Ｓ１２）、３５％より大きい場合にはモータ３２からの回生電流はバイパス回路２２からアースへ落とされる状態となる（Ｓ７）。一方、第１の電池１２のＳＯＣが３５％以下の場合には、バイパス回路２２は動作せず、モータ３２からの回生電流が電池に受け入れられる（Ｓ６）。この時、主として回生電流を受け入れるのは、前述の通り、第１の電池１２である。
【００３９】
以上のようなステップにより、ＳＯＣ管理回路１６により、第１の電池１２から第２の電池１４への充電、モータ３２からの回生電流の第１の電池１２への受入れ及びバイパス回路２２からのアースへの放電が行われ、これらにより第１の電池１２のＳＯＣが２５±１０％の範囲に管理される。なお、第１の電池１２のＳＯＣの管理範囲としては、上記の範囲に限られるものではなく、電池の特性に基づいて十分な回生パワー密度を確保できる範囲に設定すればよい。
【００４０】
図６には、図１に示された電源装置１０における第２の電池１４のＳＯＣの制御フローが示される。本実施形態においては、第２の電池１４のＳＯＣの管理範囲が７５±１０％である例が示される。なおこの場合、前述した第２の値は、第２の電池１４のＳＯＣの６５％である。
【００４１】
図６において、ＳＯＣ管理回路１８の動作が開始されたときに、第２の電池１４のＳＯＣが８５％より小さいか否かが確認される（Ｓ２１）。第２の電池１４のＳＯＣが８５％以上の場合には、図３に示されるように、出力密度として十分な値を得ることができるので、このままの状態でモータ３２への出力動作を行う。
【００４２】
一方、第２の電池１４のＳＯＣが８５％より小さくなった場合には、第１の電池１２からの充電の可否を判断するために、第１の電池１２のＳＯＣが１５％よりも大きいか否かが判断される（Ｓ２２）。第１の電池１２のＳＯＣが１５％より大きい場合には、ＳＯＣ管理回路１８からＳＯＣ管理回路１６に第２の電池１４の充電要求が出され、これに基づいてＳＯＣ管理回路１６が充電回路２０を介して第１の電池１２から第２の電池１４への充電を行う（Ｓ２３）。この状態で第２の電池１４のＳＯＣが８５％以上になったか否かが確認される（Ｓ２４）。
【００４３】
Ｓ２４において第２の電池１４のＳＯＣが８５％よりも小さい場合には、更に第２の電池１４のＳＯＣが６５％より小さいか否かが確認される（Ｓ２５）。Ｓ２５において第２の電池１４のＳＯＣが６５％以上の場合には、Ｓ２１からＳ２５のステップが繰り返されて第１の電池１２から第２の電池１４への充電が継続される。次に第２の電池１４のＳＯＣが８５％以上となった場合には（Ｓ２４）、再びＳ２１の状態に戻る。
【００４４】
また、Ｓ２２において、第１の電池１２のＳＯＣが１５％以下である場合には、第１の電池１２から第２の電池１４への充電は行われず（Ｓ２２）、第２の電池１４のＳＯＣが確認される（Ｓ２４，Ｓ２５）。
【００４５】
第２の電池１４のＳＯＣが６５％より小さくなった場合には（Ｓ２５）、第２の電池１４の出力密度を十分に確保するために、ＳＯＣ管理回路１８の指示によりオルタネータ２４から第２の電池１４への充電が行われる（Ｓ２６）。この状態で第２の電池１４のＳＯＣが７５％以上となるまでオルタネータ２４から第２の電池１４への充電が継続される（Ｓ２７）。
【００４６】
第２の電池１４のＳＯＣが７５％以上となった場合には、再びＳ２１のステップに戻り、Ｓ２１からＳ２５までのステップにより第２の電池１４のＳＯＣが監視される。
【００４７】
なお、図１に示された電源装置１０においては、モータ３２からの回生電流は、第１の電池１２のみならず第２の電池１４へも流れるように結線されているので、回生電流は第２の電池１４へも流れ込むが、第２の電池１４の過充電を防止するために、ＳＯＣ管理回路１８が第２の電池１４のＳＯＣが所定の上限値を超えた場合にバイパス回路２６を動作させ、第１の電池１２と同様に回生電流をアースに落とすことも可能である。
【００４８】
以上のステップにより、第２の電池１４のＳＯＣは７５±１０％の範囲に管理されるが、管理範囲としては必ずしもこの範囲に限られるものではなく、第２の電池１４として使用される電池の特性に基づいて十分な出力特性を確保できる範囲に設定すればよい。
【００４９】
図７には、本発明に係る電気自動車の電源装置の他の実施形態のブロック図が示される。図７において特徴的な点は、第１の電池１２と第２の電池１４との間に切り替えスイッチ３４を設け、各電池１２、１４とインバータ２８との接続を切り替えられるようにしたことである。
【００５０】
本実施形態によれば、モータ３２からの回生電流を第１の電池１２に受け入れる場合と、第２の電池１４からモータ３２を駆動するための電流を出力する場合とでインバータ２８に接続される電池を切り替えることができる。これにより、回生電流の受け入れは、ＳＯＣを低く維持されており、回生パワー密度が高い第１の電池に行うことができ、モータ３２への駆動電流の出力は、ＳＯＣが高く維持されており、出力密度の高い第２の電池１４から実施することができる。従って、各電池の性能をより高いレベルで発揮させることができ、装置全体の小型化、軽量化を更に図ることができる。また、特にモータ３２からの回生電流を受け入れる場合に、第２の電池１４はインバータ２８と切り離されているので、第２の電池１４へ過充電されることがなく、電池の寿命が短くなることを防止できる。また、第１の電池１２と第２の電池１４とは切り離されているので、不要な電池間充電を防止することもできる。
【００５１】
切り替えスイッチ３４の切り替えは制御装置３０によって行われるが、制御装置３０では、アクセル、ブレーキ等からの入力信号あるいはインバータを流れる電流の向きによって切替スイッチ３４の切り替えを実施する。すなわち、アクセルペダルが踏まれた場合あるいはインバータ２８を流れる電流がモータ３２へ向かっている場合には、電源装置１０から電力が出力されている状態なので、制御装置３０は切替スイッチ３４を第２の電池１４側に切り替える。一方、ブレーキからの信号を受けたりインバータ２８を流れる電流が電源装置１０に向かっている場合には、回生電流を受け入れている状態なので、制御装置３０は切替スイッチ３４を第１の電池１２側に切り替える。
【００５２】
図８には、本発明に係る電気自動車の電源装置の更に他の実施形態のブロック図が示される。
【００５３】
図８において、第２の電池１４には切離しスイッチ３６が接続されており、電源装置１０からモータ３２へ駆動電流が出力される場合以外には第２の電池１４が回路から切り離される構成となっている。このような構成により、モータ３２から回生電流が流れてくる場合には、第２の電池１４が切り離され、急激な回生電流の受け入れにより第２の電池１４が過充電となることを防止でき、第２の電池１４の寿命が短くなることを防止することができる。
【００５４】
以上の構成において、切離しスイッチ３６の動作は、制御装置３０によって行われる。図７と同様に、アクセル、ブレーキからの入力信号やインバータ２８を流れる電流の向きによって切離しスイッチ３６の開閉が制御される。すなわち、アクセルからも信号が入った場合及びインバータ２８を流れる電流がモータ３２を向いている場合には切離しスイッチ３６が閉となり、ブレーキからの信号が制御装置３０に入力された場合及びインバータを流れる電流が電源装置１０に向いている場合に切離しスイッチ３６が開とされる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１の電池のＳＯＣを低く維持し、第２の電池のＳＯＣを高く維持することにより、モータからの回生電流を主として回生パワー密度の高い第１の電池に行い、モータへの駆動電流の出力を出力密度の高い第２の電池から行うので、それぞれ回生パワー密度、出力密度を高く維持した状態で電池を使用することができ、単独の電池で回生受入れ及び駆動電力の出力を行わせる場合に比べ、装置全体の出力密度及び回生パワー密度が向上して小型・軽量の電源装置を提供することができる。
【００５６】
また、第１の電池のＳＯＣを低くし、第２の電池のＳＯＣを高くしているので、回生時の過充電及び出力時の過放電を防止できるので、電池の寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電気自動車の電源装置の一実施形態のブロック図である。
【図２】各種二次電池のエネルギ密度の比較を示す図である。
【図３】ＳＯＣと出力密度及び回生パワー密度との関係を示す図である。
【図４】ＳＯＣと端子間電圧との関係を示す図である。
【図５】図１における第１の電池のＳＯＣを制御するためのフローを示す図である。
【図６】図１における第２の電池のＳＯＣを制御するためのフローを示す図である。
【図７】本発明に係る電気自動車の電源装置の他の実施形態のブロック図である。
【図８】本発明に係る電気自動車の電源装置の更に他の実施形態のブロック図である。
【符号の説明】
１０電源装置、１２第１の電池、１４第２の電池、１６、１８ＳＯＣ管理回路、２０充電回路、２２、２６バイパス回路、２８インバータ、３０制御装置、３２モータ、３４切り替えスイッチ、３６切離しスイッチ。

Claims

蓄電装置に蓄電された電力によりモータを駆動するとともに、モータからの回生電力を蓄電装置に受入れる電気自動車の電源装置であって、
前記蓄電装置に含まれ、充電状態（ＳＯＣ）の低下とともに回生パワー密度が増加する第１の電池と、
前記蓄電装置に含まれ、ＳＯＣの上昇とともに出力密度が増加する第２の電池と、
前記第１の電池のＳＯＣを所定の第１の値以下に維持し、前記第２の電池のＳＯＣを所定の第２の値以上に維持するＳＯＣ管理手段と、
を含むことを特徴とする電気自動車の電源装置。
請求項１記載の電気自動車の電源装置において、
前記第１の電池及び前記第２の電池がともにリチウムイオン電池またはリチウムポリマ電池であることを特徴とする電気自動車の電源装置。
請求項１または請求項２記載の電気自動車の電源装置において、
前記蓄電装置から前記モータへ電力を供給するときのみ前記第２の電池を前記モータに接続することを特徴とする電気自動車の電源装置。