JP5079709B2 - 車両推進システム - Google Patents

Description

本発明は、一般に、車両駆動システムに関し、より詳細には、電池式電気自動車またはハイブリッド車に使用されているような電池式駆動システムに関する。

図１は、電池式電気自動車およびハイブリッド車にも使用されている既知の交流（ＡＣ）電気駆動システムを示す。図示するように、電池であってよいエネルギー貯蔵ユニットは、ＤＣ−ＡＣ主インバータ（DC-AC traction inverter）の直流（ＤＣ）リンクに電気的に接続される。

図２は、ブーストコンバータの低電圧側に結合された第１電池とブーストコンバータの高電圧側に結合された第２電池とを含む既知のハイブリッド駆動システムを示す。運転中、この構成は、高エネルギー密度電池をエネルギー貯蔵ユニットとして使用することを可能にでき、この場合には一般に、低電圧側のエネルギー貯蔵ユニットの定格電圧はＤＣ−ＡＣ主インバータのＤＣリンクよりも低い。

図３は、高エネルギー密度電池と、ウルトラキャパシタと、図３に示す構成に配置された場合にウルトラキャパシタの電圧が電池の電圧よりも低いときは電流の流れを可能にするように分極するダイオードとを含む既知のハイブリッド駆動システムを示す。図３の構成は、増加した量の電力を電池から２チャンネルブーストコンバータを通じてＤＣリンクに送ることを可能にし、この場合、各チャンネルまたはフェーズは同一の最大電力定格を有する。
米国特許第４，５３３，０１１号公報 米国特許第４，８６２，００９号公報 米国特許第４，９２６，１０４号公報 米国特許第５，１６８，９７５号公報 米国特許第５，３４５，１５４号公報 米国特許第５，３７３，１９５号公報 米国特許第５，５８９，７４３号公報 米国特許第５，７１０，６９９号公報 米国特許第５，７１３，４２５号公報 米国特許第５，７２２，５０２号公報 米国特許第５，７２３，９５６号公報 米国特許第５，９０３，４４９号公報 米国特許第６，１７０，５８７−Ｂ１号公報 米国特許第６，１８６，２５５−Ｂ１号公報 米国特許第６，２２７，９９７−Ｂ１号公報 米国特許第６，２５８，００６−Ｂ１号公報 米国特許第６，３１９，１６８−Ｂ１号公報 米国特許第６，３３１，３６５−Ｂ１号公報 米国特許第６，３３２，２５７−Ｂ１号公報 米国特許第６，３６０，８３４−Ｂ１号公報 米国特許第６，４０１，８５０−Ｂ１号公報 米国特許第６，４４１，５８１−Ｂ１号公報 米国特許第６，４７８，７０５−Ｂ１号公報 米国特許第６，４８１，５１７−Ｂ１号公報 米国特許第６，４８６，５６８−Ｂ１号公報 米国特許第６，５０７，１２８−Ｂ２号公報 米国特許第６，５３３，６９２−Ｂ１号公報 米国特許第６，５３３，６９３−Ｂ２号公報 米国特許第６，５６９，０５５−Ｂ２号公報 米国特許第６，５９２，４８４−Ｂ１号公報 米国特許第６，６０３，２１５−Ｂ２号公報 米国特許第６，６０４，５９１−Ｂ２号公報 米国特許第６，６４５，１０５−Ｂ２号公報 米国特許第６，６７９，７９９−Ｂ２号公報 米国特許第６，７２９，４２３−Ｂ２号公報 米国特許第６，７３７，８２２−Ｂ２号公報 米国特許第６，７８４，５６３−Ｂ２号公報 米国特許第６，８１７，４３２−Ｂ２号公報 米国特許第６，８３７，８１６−Ｂ２号公報 米国特許第６，９１５，２２０−Ｂ２号公報

上述のシステムは様々な運転条件で効果的であるが、典型的な市街地の走行時に見られるように車両が比較的低速で運転されるときにはこれらのシステムはほとんど効果がない可能性がある。結果として、車両の性能または燃料効率が低下する恐れがある。

１つの態様において車両推進システムが提供される。推進システムは、交流（ＡＣ）主駆動（traction drive）装置と、直流（ＤＣ）リンクを通じて主駆動装置に電気的に結合された第１エネルギー貯蔵システムと、第２エネルギー貯蔵システムからの電圧出力が双方向ブーストコンバータを使用してＤＣリンクから切り離されるように主駆動装置に電気的に結合された第２エネルギー貯蔵システムと、ブーストコンバータの低電圧側からブーストコンバータの高電圧側に電流を伝えるように分極する一方向性電流装置と、を備える。

他の態様において車両が提供される。この車両は、交流（ＡＣ）主駆動装置と、直流（ＤＣ）リンクを通じて主駆動装置に電気的に結合された第１エネルギー貯蔵システムと、第２エネルギー貯蔵システムからの電圧出力が双方向ブーストコンバータを使用してＤＣリンクから切り離されるように主駆動装置に電気的に結合された第２エネルギー貯蔵システムと、ブーストコンバータの低電圧側からブーストコンバータの高電圧側に電流を伝えるように分極する一方向性電流装置とを含む推進システムを含む。

電気自動車またはハイブリッド車で利用できる制御システムおよび電力貯蔵システムが本明細書で説明される。本明細書で使用するハイブリッド車とは、車両に推進力を供給するために電気モータと熱機関との組合せを利用する車両のことを表す。さらに、本明細書で使用されるとき、電気自動車とは、モータと複数の電池とを含み、電池が車両を運転するための推進力を供給する車両のことを表す。

このシステムは、交流（ＡＣ）主駆動装置と、直流（ＤＣ）リンクを通じて主駆動装置に電気的に接続された第１エネルギー貯蔵システムと、第２エネルギー貯蔵システムからの電圧出力が双方向ブーストコンバータを使用してＤＣリンクから切り離されるように主駆動装置に電気的に結合された第２エネルギー貯蔵システムと、ブーストコンバータの低電圧側からこのブーストコンバータの高電圧側に電流を伝えるように分極する一方向性電流装置と、を含む。

具体的には、図４は、負ＤＣリンクとも呼ばれる第１バス１１４に結合された入力端子または負端子と、正ＤＣリンクとも呼ばれる第２バス１２４に電気的に結合された出力端子または正端子とを有する第１貯蔵ユニット１１０を含む車両推進システム１００を示す。例示の実施形態においては、第１貯蔵ユニット１１０は、正および負ＤＣリンク１２４および１１４の間に電気的に結合された高エネルギー密度電池である。したがって、高エネルギー密度電池１１０およびウルトラキャパシタ１３０の負端子はそれぞれ、ブーストコンバータ１４４の高電圧側でインバータ１４４の負ＤＣリンク１１４に電気的に結合される。

また、システム１００は、第１貯蔵ユニット１１０から得られる電圧を昇圧するためのブーストコンバータ回路１２０も含む。ブーストコンバータ回路１２０は、第１バス１１２を半導体スイッチングデバイスに結合させるインダクタ（図示せず）を含むことができる。第２の半導体スイッチングデバイスは、ＤＣリンクと呼ばれるブーストコンバータ１２０の高電圧側１２４に結合する。ＤＣリンクまたは時にインバータＤＣリンクという用語は、本明細書では、正および負ＤＣバス、１１２および１１４を参照するために使用される。ＤＣリンクの負部分は、高エネルギー密度電池１１０の負端子、ウルトラキャパシタ１４０の負端子およびＤＣ−ＡＣインバータ１４４の負端子に電気的に結合される。より具体的には、ブーストコンバータ１２０は、第１貯蔵ユニット１１０の電圧にほぼ等しい電圧を見る入力側１２２を有し、この電圧をブーストコンバータ出力側１２４で見られる第２のより高い電圧に変換する。したがって、ブーストコンバータ出力側１２４は、回路の高電圧側と呼ばれる。

また、システム１００は、例えばインダクタ（図示せず）を介してブーストコンバータの低電圧側の第２チャンネル１２８に接続されたウルトラキャパシタなどの第１受動貯蔵装置１３０も含む。例えばダイオードなどの一方向導通装置１３２は、電流をブーストコンバータの高エネルギー密度電池入力チャンネルからウルトラキャパシタ１３０に伝えるように分極する。図示するように、受動貯蔵装置１３０と、一方向導通装置と、コンタクタ１３４とは、ブーストコンバータの低電圧側１２２で正ＤＣバス１１２と負ＤＣリンク１１４との間に直列に接続される。本明細書で使用されるウルトラキャパシタは、それぞれが５００ファラドより大きいキャパシタンスを有する直列配列で接続された複数のキャパシタセルを備えるキャパシタを表す。ウルトラキャパシタは、しばしば「二重層」キャパシタまたはスーパーキャパシタと呼ばれる。例示の実施形態では、ウルトラキャパシタ１３０は直列に接続された６３個のセルを有し、各セルは２．７ボルトの電圧定格とセル当たり１０００ファラドより大きなキャパシタンス値とを有する。

また、システム１００は、ブーストコンバータ１２０と並列に、正ＤＣリンク１２４と負ＤＣリンク１１４との間に結合された第２受動貯蔵装置１４０も含む。具体的には、受動貯蔵装置１４０は、ブーストコンバータ１２０の高電圧側１２４と並列に結合される。例示の実施形態では、第２貯蔵装置１４０はウルトラキャパシタである。

また、システム１００は、第２貯蔵装置１４０および負荷１４６に結合されるインバータ１４４に並列に、正ＤＣリンク１２４と負ＤＣリンク１１４との間に結合された動的リターダシステム１４２も含む。例示の実施形態では、動的リターダシステム１４２は、高い電力損失グリッド抵抗と、直列に接続されたスイッチング装置と、このスイッチング装置に逆並列に接続されたフライバックダイオードとを含むことができ、ＤＣリンク１２４上に加えられた実効抵抗を制御可能に変化させ、それによってモータ１４６がインバータ１４４を介して電力をリンクに戻す回生モードで作動しているときにリンク１２４上に発生するＤＣ電圧を制限する。

１つの実施形態で、インバータ１４４は交流電流を供給するためのＤＣ−ＡＣインバータであり、負荷１４６はＡＣモータである。適宜に、インバータ１４４は直流電流を供給するためのＤＣチョッパまたはパルス幅変調回路であり、負荷１４６はＤＣモータである。また、システム１００は、本明細書で車両システム制御装置（ＶＳＣ）部分と呼ぶ制御システムも含み、この制御装置部分は、本明細書で後に議論する予定の様々なモードでシステム１００を作動させるように構成される。

例示の実施形態において、システム１００は、また、第１貯蔵ユニット１１０から主ブーストコンバータ１２０の高電圧側１２４への電流の流れを可能にするように分極する一方向性電流装置１５０と、事前充電回路１５２と、少なくとも１つのＤＣコンタクタ１５４とを含む。例示の実施形態では、一方向性電流装置１５０はダイオードである。使用中は、一方向性電流装置１５０は、事前充電回路１５２から主ブーストコンバータ１２０の高電圧側１２４への電流の流路形成を容易にして、高電圧側ウルトラキャパシタ１４０をその初期想定された放電状態から少なくとも部分的に事前充電し、さらにまた、ブーストコンバータシステムの故障時の「のろのろ運転（Ｌｉｍｐ−ｈｏｍｅ）」モード時においてモータ１４６に電力を供給もする。

運転中は、高電圧側ウルトラキャパシタ１４０は、事前充電回路１５２を使用して、ブーストコンバータ１２０の低電圧側１２２に結合された高エネルギー密度電池１１０のおおよそ公称電圧まで急速に事前充電される。この初期事前充電機能のためのエネルギーは高エネルギー密度電池１１０によって供給され、この充電は、例えば、オペレータが点火スイッチコマンドを介して始動を始めている数秒の範囲内で車両が停止している間に完了できる。ウルトラキャパシタ１４０の初期事前充電が完了した後で、ＤＣコンタクタ１５４が励起されてその関連する電力コンタクタが電気的に閉じる。この時点で、主駆動装置すなわちモータ１４６は、車両を比較的低速度で運転することが可能になる。システム１００が、オペレータから例えば車両速度の増加が望ましいというコマンドをＶＳＣ１４８を介して受けた場合は、モータ１４６に供給される電力は、主駆動装置を使用して、ハイブリッド車では例えば熱機関を使用して、または、その車両が全電気自動車の場合は追加の貯蔵ユニットの使用によって、補うことができる。

より具体的には、通常モードの運転時には、低電圧側ウルトラキャパシタ１３０は、高電圧側１２４からのエネルギーおよび一方向性電流装置１５０を介した高エネルギー密度電池１１０からのエネルギーも使用して事前充電される。ブーストコンバータの低電圧側入力の事前充電が完了すると、すなわち、ウルトラキャパシタ１３０が少なくとも部分的に充電されると、ＤＣコンタクタ１３４が閉じられウルトラキャパシタ１４０の事前充電はブーストコンバータ１２０を介して継続する。運転中、ウルトラキャパシタ１３０の最大電圧は高エネルギー密度電池１１０の公称電圧のおおよそ２倍である。さらに、通常運転中は、ウルトラキャパシタ１３０内の全貯蔵または利用可能エネルギーの約７５％が利用されるように、ウルトラキャパシタ１３０はその最大電圧からその最大電圧の約５０％に至るまでの間で動作するように構成される。ウルトラキャパシタ１３０に貯蔵された利用可能エネルギーが使い尽くされ、かつオペレータが車両を運転するために追加の電力の要求を続ける場合には、ダイオード１３２は、車両の運転速度の増加を促進するために、ブーストコンバータがそのブーストコンバータの２つのチャンネルを使用して電池１１０からの電圧をＤＣリンク電圧にまで昇圧し、それによってブーストコンバータの単一チャンネルに比較して約２倍の定格電力を可能にするように動作する。

図５は、図４に示したシステム１００と実質的に類似のシステム２００を示す。したがって、図４の構成部品を示すために使用した参照番号を図５の同様の構成部品を示すためにも使用する。システム２００で、動的リターダ１４２は、ブーストコンバータ１２０の高電圧側に結合されるのではなく、第３チャンネルを通じてブーストコンバータ１２０の低電圧側に結合される。この構成では、動的リターダ１４２は、ブーストコンバータの制御によってＤＣリンク１２４上の有効電力損失を制御可能に変化させ、それによってインバータＤＣリンク１２４の１１４に対しての間に発生するＤＣ電圧を制限する。

図６は、通常運転中に示されるシステム１００および２００の両方のシステムのグラフ図であり、ここでＤＣリンク電圧はモータ速度およびトルクの関数として示され、また、破線は関連するエネルギー貯蔵構成要素電圧の例示的な基準値を表す。図示するように、例示のＡＣモータ設計に関する駆動装置の全トルクは、基準電圧をある所定の最小値から定格速度の約５０％のモータ速度での所定の最大基準値まで増加させることによって達成可能である。５０％から１００％までの定格モータ速度にあっては、基準ＤＣリンク電圧は実質的に一定に保たれる。図示するように、ウルトラキャパシタ１４０電圧は、エネルギーがこの装置から抜き出されまたは装置に供給されるに応じて基準線の上方または下方に変動する。ウルトラキャパシタ１４０電圧すなわち充電状態が限界値に近づくと、閉ループ制御装置は、ウルトラキャパシタ１３０がその通常動作範囲（ＳＯＣ）内にあるなら、追加のエネルギーを主としてこのウルトラキャパシタ１３０から供給する。ウルトラキャパシタ１３０がエネルギーを供給できないときには、低効率電池１１０が付加的なエネルギーを供給するために利用される。例えば、急な坂道を長時間にわたって登攀している間の運転中は、両方のウルトラキャパシタ１３０および１４０に貯蔵されたエネルギーは実質的に使い尽くされているので高エネルギー密度電池１１０がエネルギーを供給する。また、のろのろ運転中も、車両を推進するために供給されるエネルギーは電池１１０を使用して補充される。

図７は、図４に示したシステム１００に実質的に類似なシステム３００を示す。したがって、図４の構成要素を示すために使用した参照番号を図７の同様の構成要素を示すために使用する。したがって、また、システム３００は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０６を通じて高エネルギー密度電池１１０を充電するために利用される、オルタネータ３０２と、整流器３０４と、１２Ｖの始動、照明および点火（ＳＬＩ）用電池３０８も含む。例示の実施形態では、コンバータ３０６は、電池１１０に供給される電圧を車両シャーシから絶縁するのを容易にする。例示の実施形態では、オルタネータ３０２は、車両内部の既知のエンジン３１０に結合されかつそれによって駆動される。運転中は、電池１１０の充電電力レベルは、オルタネータ３０２およびその関連する回路の電流定格に基づいてかつまたオルタネータの相対的な低効率のために、制限される可能性がある。しかし、この特徴は、特に車両がアイドリング中または低速度運転している間のある低レベルの充電を可能にする。

本明細書で説明したシステムは、ウルトラキャパシタ／電池エネルギー貯蔵システムの高度高効率利用の実現を促進する。具体的には、高モータ速度かつ高トルクでの運転のための過渡エネルギーは主に高電圧ウルトラキャパシタを高効率モードで使用し、中速度および中トルクでの運転のための過渡エネルギーは主に高電圧および中電圧のウルトラキャパシタの組合せを使用し、低モータ速度かつ最大範囲のモータトルクでの運転のための過渡エネルギーは、低電圧電池と中電圧ウルトラキャパシタとの組合せによって主として供給される。したがって、ウルトラキャパシタセルのバランスの問題は、高電圧と中電圧の要求に応じて複数のウルトラキャパシタエネルギー貯蔵ユニットの両方を使用することによって最小化される。

したがって、本明細書で説明したシステムは、ＤＣリンク電圧を中電圧および低電圧エネルギー貯蔵構成要素から切り離すことを容易にし、このことが、モータ速度およびトルクに応じて適切なエネルギー貯蔵システムおよび関連する制御装置を使用することによって、システム性能および効率の向上を可能にする。システム重量したがって車両重量が、低電圧軽量電池をエネルギー貯蔵の１構成要素として使用することによって最小になる。全電気運転モード、およびまた、のろのろ運転モード中は、本システムは、ウルトラキャパシタエネルギー貯蔵システムだけを使用した構成に比べてより増大した到達距離を実現する。さらに、全体のシステムコストは、電気駆動システムのための構成要素のサイズと重量限界の範囲内で所望の性能を同時に達成するようにエネルギー貯蔵ユニットを寸法設定することによって低減され、高電圧側ウルトラキャパシタエネルギー貯蔵装置の事前充電機能は、従来の高電圧電池で事前充電機能を果たす場合よりも短時間で達成される。

様々な特定の実施形態によって本発明を説明してきたが、本発明は、特許請求の範囲の精神と範囲の中で変更して実施できることを当業者は認められよう。

既知の交流（ＡＣ）電気駆動システムを示す図である。 既知のハイブリッド駆動システムを示す図である。 既知のハイブリッド駆動システムを示す図である。 例示的な車両推進システムを示す図である。 例示的な車両推進システムを示す図である。 図４に示したシステムの運転中のグラフ図である。 例示的な車両推進システムを示す図である。

符号の説明

１００ 車両推進システム
１１０ 電池
１１２ 第１バス
１１４ 負ＤＣリンク
１２０ ブーストコンバータ
１２２ 入力側
１２４ 出力側
１２８ 第２チャンネル
１３０ ウルトラキャパシタ
１３２ 導通装置
１３４ コンタクタ
１４０ 第２貯蔵装置
１４２ 動的リターダシステム
１４４ インバータ
１４６ モータ
１４８ 車両システム制御装置
１５０ 方向性電流装置
１５２ 事前充電回路
１５４ ＤＣコンタクタ
２００ システム
３００ システム
３０２ オルタネータ
３０４ 整流器
３０６ コンバータ
３０８ 電池
３１０ エンジン

Claims (15)

1. 交流（ＡＣ）主駆動装置と、
   直流（ＤＣ）リンクを通じて前記主駆動装置に電気的に結合された第１エネルギー貯蔵システムと
   第２エネルギー貯蔵システムからの電圧出力が双方向ブーストコンバータを使用して前記ＤＣリンクから切り離されるように前記主駆動装置に電気的に結合された前記第２エネルギー貯蔵システムと、
   ブーストコンバータの低電圧側から前記ブーストコンバータの高電圧側に電流を伝えるように分極する一方向性電流装置と
   を備え、
   前記第１エネルギー貯蔵システムは、前記ブーストコンバータ高電圧側に結合された第１ウルトラキャパシタを備え、
   前記第２エネルギー貯蔵システムは前記ブーストコンバータ低電圧側に結合された第２ウルトラキャパシタと高エネルギー密度電池を備る、車両推進システム。
2. 前記第１ウルトラキャパシタは、５００ファラドより大きいセルキャパシタンスの、直列構成に結合された複数のセルを備えた請求項１記載の車両推進システム。
3. 前記第２ウルトラキャパシタは、前記高エネルギー密度電池の公称電圧定格よりも約２倍〜約３倍大きい電圧定格を有する請求項１記載の車両推進システム。
4. 前記高エネルギー密度電池から前記ブーストコンバータ低電圧側に結合される第２ウルトラキャパシタに電流を伝えるように分極する第２一方向性電流装置をさらに備えた請求項１記載の車両推進システム。
5. 前記第１ウルトラキャパシタは、前記第２ウルトラキャパシタの最大電圧定格よりも約２倍〜約３倍高い電圧定格を有する請求項４記載の車両推進システム。
6. 前記第１ウルトラキャパシタを少なくとも部分的に充電するように構成された事前充電回路をさらに備えた請求項１記載の車両推進システム。
7. 前記事前充電回路は、前記高エネルギー密度電池を利用して前記第１ウルトラキャパシタを部分的に充電するように構成された請求項６記載の車両推進システム。
8. 交流（ＡＣ）主駆動装置と、
   直流（ＤＣ）リンクを通じて前記主駆動装置に電気的に結合された第１エネルギー貯蔵システムと
   第２エネルギー貯蔵システムからの電圧出力が双方向ブーストコンバータを使用して前記ＤＣリンクから切り離されるように前記主駆動装置に電気的に結合された前記第２エネルギー貯蔵システムと、
   前記ブーストコンバータの低電圧側から前記ブーストコンバータの高電圧側に電流を伝えるように分極する一方向性電流装置と、
   を備え、
   前記第１エネルギー貯蔵システムは、前記ブーストコンバータ高電圧側に結合された第１ウルトラキャパシタを備え、
   前記第２エネルギー貯蔵システムは前記ブーストコンバータ低電圧側に結合された第２ウルトラキャパシタと高エネルギー密度電池を備る推進システム
   を備えた車両。
9. 前記第１ウルトラキャパシタは、５００ファラドより大きいキャパシタンスの、直列構成に結合された複数のセルを備えた請求項８記載の車両。
10. 前記高エネルギー密度電池から前記ブーストコンバータ低電圧側に結合された第２ウルトラキャパシタに電流を伝えるように分極する第２一方向性電流装置をさらに備えた請求項８記載の車両。
11. 前記第２ウルトラキャパシタは、前記高エネルギー密度電池の公称電圧定格よりも約２倍〜約３倍高い電圧定格を有する請求項８記載の車両。
12. 前記第１ウルトラキャパシタは、前記第２ウルトラキャパシタの最大電圧定格よりも約２倍〜約３倍高い電圧定格を有する請求項８記載の車両。
13. 前記第１ウルトラキャパシタを少なくとも部分的に再充電するように構成された事前充電回路をさらに備えた請求項８記載の車両。
14. 前記車両はパラレルハイブリッド車を含む請求項８記載の車両。
15. 前記車両は電気自動車を含む請求項８記載の車両。

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