JPH06124720A

JPH06124720A - ハイブリッド電源装置

Info

Publication number: JPH06124720A
Application number: JP4297831A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Dogoshi; 仁堂腰
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 1992-10-10
Filing date: 1992-10-10
Publication date: 1994-05-06

Abstract

(57)【要約】【目的】安定した電力供給を行うことが可能なハイブ
リッド電源装置を提供する。【構成】出力端子１２を介して電気自動車の制御部１
５等の外部に電力を供給するための、第１および第２バ
ッテリ４６、４７、および、この両バッテリを充電する
ための燃料電池４８を備える。そして、第１および第２
スイッチ５１、５２の切り換えによって、バッテリの一
方から出力端子１２を介して制御部１５に電力を供給が
行われると共に、他方のバッテリに対して燃料電池４８
による充電が行われる。制御部１５では、電力を供給し
ている側のバッテリ容量を監視し、所定値以下となった
場合には、制御部１５からの切換信号Ｓを出力する。こ
れによって第１および第２スイッチの接続が切り換わ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電源装置に係り、例え
ば、電気自動車のモータ駆動用に使用される電源装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球の環境保護の観点から、排気
の原因となるエンジンを駆動源とせず、クリーンな電力
によって車両を駆動させる電気自動車が注目されてい
る。電気自動車では、一般に、大容量の蓄電池から供給
される電力によってモータを回転させ、車両の駆動力と
している。ところで、電気自動車に使用される蓄電池
は、図６のＡ線で示すように、出力容量は多いが、エネ
ルギ容量が比較的小さい。このため、蓄電池を電源とす
る電気自動車では、一回の充電によって走行可能な距離
が１００Ｋｍ前後であり、ガソリンを燃料としてエンジ
ンで走行する現行のガソリン車の走行距離が４００Ｋｍ
〜５００Ｋｍであるのと比較して、かなりの差がある。
そこで、可能な走行距離をのばすために、図６のＢ線で
示すように、出力容量は小さいがエネルギ容量が大きい
燃料電池と、蓄電池とを組み合わせた電源装置が開発さ
れている。このようなハイブリット電源装置は、試験的
に例えば、バスやゴルフカートに使用されている。

【０００３】図７は、このような蓄電池と燃料電池とを
組み合わせた従来のハイブリッド電源装置を搭載した電
気自動車の概略を表したものである。この図に示すよう
に、電気自動車はハイブリッド電源装置１を備えてお
り、このハイブリッド電源装置１の電力が、インバータ
やＣＰＵ（中央処理装置）等からなる制御部２による制
御のもとで、モータ３を駆動するようになっている。ハ
イブリッド電源装置１は、逆流防止のためのダイオード
４を介して燃料電池５、および、バッテリ６が並列に配
置されている。そして、電気自動車の走行条件に応じ
て、電力を燃料電池５とバッテリ６とにより選択的に制
御部２に供給している。すなわち、低出力電力でよい場
合には、エネルギ容量の点で有利な燃料電池５から、一
方、高出力電力が必要な場合には、出力容量の点で有利
なバッテリ６から電力供給を行っている。これは、燃料
電池５は出力密度は小さいがエネルギー密度は高いので
負荷が小さければ有利であるためである。一方、電気自
動車では加速性や登坂性がガソリン車並である事が必要
なため、大電力が必要な場合があり、このような場合に
は出力密度の高い蓄電池が用いられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のハイブ
リッド電源装置では次のような問題があった。すなわ
ち、燃料電池は、例えばリン酸型の場合であれば、通常
１８０度程度の高温で安定動作するため、起動までに時
間がかかる。このため、発進時には燃料電池５から出力
を得にくいという問題がある。また、従来のハイブリッ
ド電源装置では、負荷変動に対する対応が難しかった。
すなわち、通常、燃料電池から最大電力を得るための条
件は、ごく限られた範囲である。これに対して、電気自
動車のモータ負荷は発進時や車速によって極めて変化的
であり、燃料電池の効率を常時最大に維持することは困
難である。さらに、駆動力を得るために、大型の燃料電
池が必要であった。例えば、車速５０Ｋｍ／ｈｒの１ｔ
ｏｎ車では、約４Ｋｗの駆動エネルギーが必要であり、
これを燃料電池により供給しようとすると１００Ｋｇ〜
３００Ｋｇの燃料電池の搭載が必要であり、走行距離の
減少を招いていた。また、従来のハイブリッド電源装置
では、燃料電池とバッテリが並列に配置されており、走
行条件に応じて負荷を急激に切り換えることから、燃料
電池を最大効率の安定な動作点を確保しつつ、燃料電池
によって蓄電池を充電しながら走行することができなか
った。

【０００５】このように、従来のハイブリッド電源装置
では、例えば電気自動車に対して安定した電力供給を行
うことが困難であった。そこで、本発明の目的は、安定
した電力供給を行うことが可能なハイブリッド電源装置
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、電気自動車に
おけるモータを駆動制御する制御部等の外部に電力を供
給する出力端子と、充電および放電を行う、例えば、２
次電池、コンデンサ、２次電池とコンデンサの組み合わ
せ等からなる複数の蓄電手段と、これら蓄電手段のいず
れかに充電を行う燃料電池と、前記蓄電手段のいずれか
一つを選択して前記出力端子に接続する第１接続手段
と、この第１接続手段で前記出力端子に接続されていな
い蓄電手段のいずれか一つを選択して前記燃料電池に接
続する第２接続手段とをハイブリッド電源装置に具備さ
せて、前記目的を達成する。

【０００７】

【作用】本発明では、複数の蓄電手段のいずれか一つを
第１接続手段により出力端子に接続し、電気自動車等の
外部に電力を供給する。そして、他の蓄電手段のうちの
一つを第２接続手段によって燃料電池に接続し、燃料電
池による充電を行う。これにより、燃料電池を常に同一
負荷条件で、安定に最大効率で動作させる事ができ、し
かも、燃料電池は充電に必要な容量でよく、重量を軽減
できる。さらに負荷変動に対応した、燃料電池の補機に
よるガス体の制御が複雑にならない。

【０００８】

【実施例】以下本発明のハイブリッド電源装置における
好適な実施例について、図１から図４を参照して詳細に
説明する。図１は、ハイブリッド電源装置の一実施例を
用いた電気自動車の駆動制御システムを表したものであ
る。この図１に示すように電気自動車は、本実施例の対
象であるハイブリッド電源装置１１を備えており、この
ハイブリッド電源１１は出力端子１２を介して制御部１
５と接続されている。ハイブリッド電源装置１１から供
給される電力は、平滑コンデンサ３４と、パワートラン
ジスタ２１〜２６等から構成されたブリッジ回路２０を
介して三相交流に変換され、ブラシレスＤＣモータ１３
に供給されるようになっている。このブラシレスＤＣモ
ータ１３の回転軸は、電気自動車の駆動機構に連結され
るとともに、回転子位置検出器としてのレゾルバ１６に
接続されている。レゾルバ回路１８は、レゾルバ１６を
励磁してレゾルバ信号ａを入力し、電流波形制御回路１
９へ励磁位置を表す信号ｂを出力するようになってい
る。

【０００９】メインコンピュータ２９には、アクセルペ
ダルの踏み込み量、自動車の速度を検出する速度センサ
からの信号等の各種信号ｅ１〜ｅ５の他に、電圧検出回
路３１からの電圧値信号ｖ等の各種検出信号が入力され
る。これら各信号ｅ、ｖに応じて、メインコンピュータ
２９は、要求電流を指令するための電流指令信号ｊ１、
回転方向指令信号ｊ２、回生信号ｊ３、および運転指令
信号ｊ４を電流波形制御回路１９に供給する。

【００１０】電流波形制御回路１９は、ハイブリッド型
自動車の負荷条件、例えばアクセルやブレーキの踏み込
み量などに対応した電流がブラシレスＤＣモータ１１に
供給されて所定のトルクが得られるように制御するため
の回路である。すなわち、電流波形制御回路１９は、こ
れらの信号ｊに基づいて、要求電流に対応したデューテ
ィ比を有するＵＶＷ相のパルス幅変調（ＰＷＭ）信号ｄ
をベースドライブ回路２５に出力するようになってい
る。ベースドライブ回路２８は、このＰＷＭ信号ｄに従
って、ブリッジ回路２０の各パワートランジスタ２１〜
２６を駆動する。電圧検出回路３１は、図示しないアナ
ログ−ディジタル変換回路を備えており、ハイブリッド
電源装置１１のバッテリの電圧を直接検出し、検出した
電圧をディジタル値に変換して電圧値信号ｖを出力する
ようになっている。

【００１１】次に、本実施例におけるハイブリッド電源
装置１１の構成を図２を参照しながら説明する。ハイブ
リッド電源装置１１は、制御部１５に電力を供給する電
力供給源としての第１バッテリ４６と第２バッテリ４７
を備えている。これら第１および第２バッテリ４６、４
７としては、鉛酸蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ナ
トリウム硫黄電池、リチウム２次電池、水素２次電池、
レドックス型電池等の各種２次電池が使用される。第１
および第２バッテリ４６、４７は、複数台の２次電池を
直列に、又は直並列に接続することによって、例えば２
４０〔Ｖ〕の電圧となるように構成されている。これら
第１および第２バッテリ４６、４７は、それぞれ制御部
１５の電圧検出回路３１に接続され、その電圧が検出さ
れるようになっている。

【００１２】ハイブリッド電源装置１１は、これら第１
および第２バッテリ４６、４７を充電する燃料電池（Ｆ
Ｃ）４８を備えている。この燃料電池４８としては、主
としてりん酸型やメタノール直列型の燃料電池が使用さ
れるが、溶融炭酸塩型、固体電解質型の燃料電池等の他
の形式の燃料電池を使用することも可能である。

【００１３】燃料電池４８は、逆流防止のためのダイオ
ード４９のアノード側端子に接続され、ダイオード４９
のカソード側端子は第１スイッチ５１の切換端子５１１
に接続されている。第１スイッチ５１の端子５１２、５
１３は、それぞれ第２スイッチ５２の端子５２２、５２
３と接続されており、端子５１２と端子５２２間に第１
バッテリ４６の陽極側が接続され、端子５１３と端子５
２３間に第２バッテリ４７の陽極側が接続されている。
第１および第２バッテリ４６、４７の陰極側は、共に電
気自動車の本体に接地されている。第２スイッチ５２の
切換端子５２１は、ハイブリッド電源装置１１の出力端
子１２に接続されている。本実施例において、第１およ
び第２スイッチ５１、５２は、アンド素子、オア素子等
の無接点論理素子で構成されている。この第１および第
２スイッチ５１、５２は、制御部１５から出力される切
換指令信号Ｓによって接続方向が切り換わるようになっ
ている。

【００１４】次に、このように構成された実施例の動作
について説明する。いま、図２に示すように、第１スイ
ッチ５１の切換端子５１１が端子５１２側に接続され、
第２スイッチ５２の切換端子５２１が端子５２３側に接
続されているものとする。この状態において、電気自動
車の制御部１５には、第２スイッチ５２および出力端子
１２を介して第２バッテリ４７から電力が供給される。
制御部１５は、図示しない各種センサの出力値に応じた
電力を、ブラシレスＤＣモータ１３に供給し、または、
第２バッテリ４７に回生する。すなわち、制御部１５
は、定常走行時および加速時には、第２バッテリ４７か
らブラシレスＤＣモータ１３に電力を供給する。制御部
１５は、減速による回生運転時には、発電機として機能
するブラシレスＤＣモータ１３による発生電力を整流し
て第２バッテリ４７に回生する。一方、第１バッテリ４
６には、第１スイッチ５１およびダイオード４９を介し
て燃料電池４８によって充電されている。

【００１５】ここで、燃料電池４８によって充電が行わ
れている第１バッテ４６の電圧ｖ１、および、制御部１
５に電力を供給している第２バッテリ４７の電圧ｖ２
は、制御部１５の電圧検出回路３１で継続的に測定され
る。電圧検出回路３１は、測定したそれぞれの電圧値信
号ｖ１、ｖ２をメインコンピュータ２９に供給してい
る。メインコンピュータ２９では、供給される電圧値ｖ
１、ｖ２から燃料電池４８の起動・停止、および、第１
および第２スイッチ５１、５２の接続の切換を行う。

【００１６】すなわち、メインコンピュータ２９は、制
御部１５に電力を供給している側のバッテリ、すなわち
図２に示す接続状態の場合には第２バッテリ４７の電圧
値ｖ２を監視している。そして、電圧値ｖ２が所定値以
下となった場合には、第２バッテリ４７の残りの容量が
少なく、それ以降の放電は過放電状態による劣化を招く
と判断されるため、切換指令信号Ｓを出力する。第１お
よび第２スイッチ５１、５２は、切換指令信号Ｓの供給
によって、その接続を切り換える。図２に示す状態で切
換信号Ｓが供給されると、第１スイッチ５１の切換端子
５１１は、端子５１２との接続から端子５１３との接続
に切り換わり、第２スイッチ５２の切換端子５２１は、
端子５２３との接続から端子５２２との接続に切り換わ
る。これによって、制御部１５からブラシレスＤＣモー
タ１３への電力の供給源は、それまでの第２バッテリ４
７から第１バッテリ４６に切り換わる。そして、所定値
以下の電圧となった第２バッテリは、第１スイッチ５１
を介して燃料電池４８によって充電される。

【００１７】一方、燃料電池４８によって充電されてい
る側のバッテリ、すなわち図２に示す接続状態における
第１バッテリ４６の電圧値ｖ１が所定値以上となった場
合、メインコンピュータ２９は、燃料電池４８の停止を
指示する停止信号（図示せず）を出力する。燃料電池４
８では、停止信号が供給されるとその起動を停止する。
これによって、第１バッテリ４６の過充電が防止され
る。このように、第１および第２スイッチ５１、５２の
切り換えを行い、制御部１５への電力の供給と、燃料電
池４８による充電とを、第１および第２バッテリ４６、
４７間で交互に行うことによって、電気自動車の最大走
行距離を延長することができる。

【００１８】なお、走行パターンが複雑に変化する系で
は、発進、走行、停止が複雑に行われる。ごく初期の発
進時では、燃料電池４８はまだ動作温度１８０℃に達し
ていないので、主に第１バッテリ４６と第２バッテリ４
７の両方から駆動される。動作条件に達した後、上述の
交互切換えを行うようにしてもよい。

【００１９】図３はハイブリッド電源装置１１における
第２の実施例の構成を表したものである。このハイブリ
ッド電源装置１１も前記第１の実施例と同様に電気自動
車に適用することが可能であり、この場合、図１に示す
駆動制御システムの構成とすることができる。なお、以
下の実施例の説明を簡単にするため、第１の実施例と同
一の部分には同一の符合を付してその説明を適宜省略す
ることとする。

【００２０】この第２の実施例では、第１の実施例にお
ける第１および第２バッテリ４６、４７の代わりに、大
容量コンデンサ（ＳＣ）である第１および第２コンデン
サ６１、６２を使用したものである。この第１および第
２コンデンサ６１、６２は、電気２重層コンデンサのよ
うに単位体積当たりの容量が大きく、更に、低抵抗で出
力密度が大きい大容量コンデンサが使用される。第１お
よび第２コンデンサ６１、６２の容量は、その占有する
体積とのバランスを考慮して決定することができ、本実
施例では、例えば９Ｆ以上の大容量のコンデンサが使用
される。また、第１および第２のコンデンサ６１、６２
は、複数のコンデンサを直列に接続した構成でも良い。
このように構成にすることによって、各コンデンサの耐
圧を高く設定することができる。

【００２１】また、コンデンサはバッテリと比べて内部
抵抗が低いという利点がある。このため損失が少なく、
発進時の大電流駆動及びブラシレスＤＣモータ１３から
の大回生電流を有効に利用する事ができる。コンデンサ
を用いた場合、燃料電池４８に対する負荷動作点が変わ
るので最大効率条件では動作させにくいが、図７に示す
従来のシステムにおいて燃料電池５からモータ３への直
接駆動による負荷変動に比べれば、遥かに安定動作させ
ることが容易になる。これは、数式１において、Ｖｃを
コンデンサの充電電圧、ｉを燃料電池４８からの充電電
流、Ｃをコンデンサ容量とした場合に、コンデンサの関
係式が次の数式１に示すように、単純に表されるからで
ある。従って、第１の実施例における第１および第２バ
ッテリ４６、４７を使用した場合に比べると、どの程度
充電され得るかについて容易に算出が可能であり、ま
た、残りの容量でどの程度走行可能かについての予想も
容易に行うことが可能になる。

【００２２】

【数１】Ｖｃ＝（１／Ｃ）∫ｉｄｔ

【００２３】この第２の実施例においても、第１の実施
例における動作と同様に、第１スイッチ５１および第２
スイッチ５２の切り換えによって、これら第１および第
２コンデンサ６１、６２の一方のコンデンサからは制御
部１５に電力が供給され、他方のコンデンサは燃料電池
４８によって充電が行われる。

【００２４】図４はハイブリッド電源装置１１における
第３の実施例の構成を表したものである。このハイブリ
ッド電源装置１１も前記第１の実施例と同様に電気自動
車に適用し、図１に示す駆動制御システムの構成とする
ことができる。この第３の実施例では、第１の実施例に
おける第１バッテリ４６と第２の実施例における第１コ
ンデンサ６１とを組み合わせ、また第２バッテリ４７と
第２コンデンサ６２とを組み合わせて、ハイブリッド電
源装置１１を構成したものである。この第３の実施例で
は、第１および第２バッテリ４６、４７によって、ハイ
ブリッド電源装置１１の出力を定電圧に保つことができ
るので、燃料電池４８を最大効率点で動作させることが
可能である。また、第１および第２コンデンサ６１、６
２の内部抵抗が非常に低いので、内部損失が少なく、駆
動時及び回生時の急速充放電にも耐えることが可能にな
る。

【００２５】図５は、ハイブリッド電源装置１１におけ
る第４の実施例の構成を表したものであり、電気自動車
に適用し、図１の駆動制御システムとすることができ
る。この第４の実施例では、第３の実施例に加えて、燃
料電池４８から直接モータを駆動するように構成してい
る。そのために、第１および第２スイッチ５１、５２に
中性端子５１４、５２４を具備させると共に、第３スイ
ッチ６３を配置する。そして、燃料電池４８から制御部
１５に電力を供給する場合には、図５に示すように、第
１スイッチ５１の切換端子５１１、および第２スイッチ
５２の切換端子５２１を、それぞれ中性端子５１４、５
２４側に接続すると共に、第３スイッチ６３を接続状態
にする。なお、この場合において、燃料電池４８の最大
効率を確保できる条件が設定される必要があり、そのた
めにはモータの回転数が一定、つまり車速が一定である
事が望ましい。一方、第１バッテリ４６と第１コンデン
サ６１の組み合わせ、または、第２バッテリ４７と第２
コンデンサ６２の組み合わせによって制御部１５に電力
を供給する場合には、第３スイッチ６３を切断する。こ
れら、第１から第３スイッチ５１、５２、６３の接続
は、制御部１５から出力される切換信号Ｓ１からＳ３に
応じて行われる。

【００２６】以上説明した実施例では、第１接続手段と
第２接続手段としての第１、第２および第３スイッチ５
１、５２、６３を無接点論理素子で構成することとした
が、本発明では、これらに限定されるのではなく、例え
ば、有接点リレー回路等の各種接続の為の部材を使用す
ることができる。また、ハイブリッド電源装置を電気自
動車以外の電源として使用する場合には、スナップスイ
ッチ等の各種スイッチを使用することも可能である。ま
た、以上説明した実施例では、バッテリ、コンデンサ等
の蓄電手段を２組としたが、本発明では、更に３組以上
の蓄電手段を使用するようにしてもよい。この場合に
は、第１接続手段で出力端子に接続されている蓄電手段
によって電気自動車等の外部に電力を供給している間
に、第２接続手段の接続を順次切り換えて、他の蓄電手
段を順次充電する。第１接続手段は、充電済みの蓄電手
段を選択して出力端子に接続する。

【００２７】

【発明の効果】本発明のハイブリッド電源装置によれ
ば、安定的に電力を供給することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における一実施例のハイブリッド電源装
置用いた電気自動車の駆動制御システムを示す図であ
る。

【図２】本発明の第１の実施例におけるハイブリッド電
源装置の構成図である。

【図３】同、第２の実施例におけるハイブリッド電源装
置の構成図である。

【図４】同、第３の実施例におけるハイブリッド電源装
置の構成図である。

【図５】同、第４の実施例におけるハイブリッド電源装
置の構成図である。

【図６】蓄電池と燃料電池の出力容量とエネルギ容量を
比較した説明図である。

【図７】従来のハイブリッド電源装置を搭載した電気自
動車の概略図である。

【符号の説明】

１１ハイブリッド電源装置１２出力端子１３ブラシレスＤＣモータ２０ブリッジ回路１９電流波形制御回路２８ベースドライブ回路２９メインコンピュータ３１電圧検出回路４６第１バッテリ４７第２バッテリ４８燃料電池４９ダイオード５１第１スイッチ５２第２スイッチ６１第１コンデンサ６２第２コンデンサ６３第３スイッチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部に電力を供給する出力端子と、充電および放電を行う複数の蓄電手段と、これら蓄電手段のいずれかに充電を行う燃料電池と、前記蓄電手段のいずれか一つを選択して前記出力端子に
接続する第１接続手段と、この第１接続手段で前記出力端子に接続されていない蓄
電手段のいずれか一つを選択して前記燃料電池に接続す
る第２接続手段とを具備することを特徴とするハイブリ
ッド電源装置。