JP2010057291A - 車両用の電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】走行用バッテリの二次電池を最適な状態で使用して、走行用バッテリからモータに理想的な状態で電力を供給する。
【解決手段】車両用の電源装置は、車両を走行させるモータ１６に電力を供給する走行用バッテリ１０と、この走行用バッテリ１０からモータ１６に供給する電力を制御する制御回路２０とを備えている。走行用バッテリ１０は、出力特性の異なる第１の組電池１１と第２の組電池１２とを備えている。制御回路２０は、第１の組電池１１からモータ１６に供給する電力と、第２の組電池１２からモータ１６に供給する電力とを制御している。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車やハイブリッドカーに搭載されて、車両を走行させるモータに電力を供給する走行用バッテリを備えている車両用の電源装置に関する。

車両用の電源装置は、走行用バッテリを備えている。走行用バッテリは多数の二次電池を直列に接続して出力電圧を高くしている。車両は、走行用バッテリから供給される電力でモータを駆動して車両を走行させる。ハイブリッドカーは、走行用バッテリから電力を供給するモータとエンジンで走行し、電気自動車はモータで走行する。走行用バッテリの二次電池をニッケル水素電池とする電源装置は開発されている。（特許文献１参照）

ニッケル水素電池よりも高出力の二次電池として、リチウムイオン電池を使用する車両用の電源装置も開発されている。（特許文献２参照）
リチウムイオン電池の走行用バッテリは、ニッケル水素電池の走行用バッテリに比較して、瞬間的な出力も大きくできる。ただ、リチウムイオン電池は、ニッケル水素電池に比較して安全性の確保が難しく、安全性を考慮すると走行用バッテリを大容量にするのが難しい。

さらに、走行用バッテリと並列に静電容量の極めて大きいスーパーキャパシターを接続する車両用の電源装置も開発されている。この電源装置は、たとえば回生制動でスーパーキャパシターを充電し、充電された電力で車両を加速することができる。ただ、スーパーキャパシターは放電容量が制限されることから、モータの出力が制限される欠点がある。
特開２００４−０８０９１４号公報 特開２００８−０１６２２９号公報

本発明は、以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、異なった特性を持つ複数種類の走行用バッテリの二次電池を最適な状態で使用して、走行用バッテリからモータに理想的な状態で電力を供給できる車両用の電源装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の請求項１の車両用の電源装置は、車両を走行させるモータ１６に電力を供給する走行用バッテリ１０と、この走行用バッテリ１０からモータ１６に供給する電力を制御する制御回路２０、３０とを備えている。走行用バッテリ１０は、出力特性の異なる第１の組電池１１と第２の組電池１２とを備えている。制御回路２０、３０は、第１の組電池１１からモータ１６に供給する電力と、第２の組電池１２からモータ１６に供給する電力とを制御している。

以上の電源装置は、走行用バッテリの二次電池を最適な状態で使用して、走行用バッテリからモータに理想的な状態で電力を供給できる特徴が実現される。それは、この電源装置が、出力特性が異なる２組の組電池を備え、各々の組電池の出力を制御回路で制御してモータに供給するからである。

本発明の請求項２の車両用の電源装置は、車両を走行させるモータ１６に電力を供給する走行用バッテリ１０と、この走行用バッテリ１０からモータ１６に供給する電力を制御する制御回路２０、３０とを備えている。走行用バッテリ１０は、温度特性の異なる第１の組電池１１と第２の組電池１２とを備えている。制御回路２０、３０は、第１の組電池１１からモータ１６に供給する電力と、第２の組電池１２からモータ１６に供給する電力とを制御している。

以上の電源装置も、走行用バッテリの二次電池を最適な状態で使用して、走行用バッテリからモータに理想的な状態で電力を供給できる特徴が実現される。それは、この電源装置が、温度特性が異なる２組の組電池を備え、使用環境の温度でもって、各々の組電池の出力を制御回路で制御してモータに供給するからである。たとえば、低温環境においては低温特性に優れた組電池からモータに電力を供給することで、低温環境においても、走行用バッテリからモータに効率よく電力を供給できる。

本発明の車両用の電源装置は、走行用バッテリ１０の第１の組電池１１を複数のニッケル水素電池で構成し、第２の組電池１２を複数のリチウムイオン電池で構成することができる。
以上の電源装置は、瞬間的に大出力が要求される状態ではリチウムイオン電池からモータに電力を供給してモータの出力を大きくでき、また、寒冷地で使用される低温特性においては、ニッケル水素電池からモータに電力を供給して、寒冷地においても走行用バッテリからモータに効率よく電力を供給できる。また、車両を長期間停止して走行用バッテリが充電されない状態では、自己放電の少ないリチウムイオン電池からモータに電力を供給して効率よくモータで走行できる。

本発明の車両用の電源装置は、第１の組電池１１の出力側に接続してなる第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３１Ａと、第２の組電池１２の出力側に接続してなる第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３１Ｂとを備え、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３１Ａと第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３１Ｂからの出力を、制御回路３０で制御することができる。

以上の電源装置は、第１の組電池と第２の組電池の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで調整して出力するので、第１の組電池と第２の組電池の電圧が変動しても、制御回路でもって第１の組電池と第２の組電池から安定して所定の出力をモータに供給できる特徴がある。すなわち、第１の組電池と第２の組電池のいずれかの電圧が低下しても、低下した組電池からも安定してモータに電力を供給できる。

本発明の車両用の電源装置は、第１の組電池１１の出力側に接続している第１のスイッチング素子２１Ａと、第２の組電池１２の出力側に接続している第２のスイッチング素子２１Ｂとを備え、制御回路２０が、第１のスイッチング素子２１Ａと第２のスイッチング素子２１Ｂをオンオフに制御すると共に、オンオフに切り換えるデューティーを制御して、第１の組電池１１と第２の組電池１２からの出力を制御することができる。

以上の電源装置は、簡単な回路構成で第１の組電池と第２の組電池からモータに電力を供給できる。また、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子をオンオフに切り換えるデューティーを調整して、各々の組電池からモータへの電力供給をコントロールできる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための車両用の電源装置を例示するものであって、本発明は車両用の電源装置を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

以下、ハイブリッドカーに搭載される車両用の電源装置を具体例として詳述する。ただし、本発明の車両用の電源装置は、エンジンを装備しない電気自動車に搭載することもできる。電気自動車は、回生制動によって走行用バッテリを充電するので、ハイブリッドカーと同じ回路構成として、走行用バッテリを充放電できる。

［第１の実施例］
図１に示す車両用の電源装置は、車両を走行させるモータ１６に電力を供給する走行用バッテリ１０と、この走行用バッテリ１０からモータ１６に供給する電力を制御する制御回路２０とを備える。図の電源装置は、車両に搭載されるＤＣ／ＡＣインバータ１５を介して走行用バッテリ１０からモータ１６に電力を供給する。ＤＣ／ＡＣインバータ１５は、走行用バッテリ１０から供給される電力を三相交流に変換してモータ１６に供給し、また、モータ１６に併用される発電機１７や専用の発電機から供給される三相交流を走行用バッテリ１０を充電する電圧の直流に変換する。ＤＣ／ＡＣインバータ１５は、車両に搭載される車両側ＥＣＵ（図示せず）に制御されて、モータ１６を駆動し、あるいは発電して走行用バッテリ１０を充電する。車両側ＥＣＵは、車両を走行させるための入力、たとえばアクセルやブレーキからの信号と、電源装置の制御回路２０からの信号でＤＣ／ＡＣインバータ１５を制御して、モータ１６に電力を供給し、又は発電機１７からの電力を走行用バッテリ１０に供給する。

走行用バッテリ１０は、出力特性の異なる第１の組電池１１と第２の組電池１２とを備える。第１の組電池１１と第２の組電池１２は、温度特性が異なる組電池とすることもできる。たとえば、走行用バッテリ１０は、第１の組電池１１を複数のニッケル水素電池として、第２の組電池１２を複数のリチウムイオン電池とする。第１の組電池１１と第２の組電池１２は、出力電圧をほぼ等しく、たとえば１００Ｖ〜３００Ｖとする。たとえば、第１の組電池１１は２４０個のニッケル水素電池を直列に接続して出力電圧を２８８Ｖとし、第２の組電池１２は８０個のリチウムイオン電池を直列に接続して同じ２８８Ｖとしている。

ニッケル水素電池とリチウムイオン電池は出力特性が異なる。リチウムイオン電池は瞬間的なピーク電力を大きくできる。ニッケル水素電池は安全性が高く、高容量として出力容量を大きくできる。したがって、第１の組電池１１をニッケル水素電池として、第２の組電池１２をリチウムイオン電池とする走行用バッテリ１０は、ハイブリッドカーのエンジンを始動し、あるいは急加速するときにリチウムイオン電池である第２の組電池１２からモータ１６に電力を供給し、緩やかな加速のときや長い坂道を上るときにニッケル水素電池である第１の組電池１１からモータ１６に電力を供給する。すなわち、短時間の大出力が要求される状態では、第２の組電池１２のリチウムイオン電池からモータ１６に電力を供給し、長い時間の小出力が要求される状態では、第１の組電池１１のニッケル水素電池からモータ１６に電力を供給する。さらに、リチウムイオン電池は、ニッケル水素電池に比較して自己放電が少ない。このため、車両が長期間使用されない状態に放置されると、ニッケル水素電池からなる第１の組電池１１は、自己放電で残容量が小さくなる。ところが、リチウムイオン電池は自己放電が少ないので、この状態においても残容量はほとんど低下しない。したがって、長期間放置された車両は、第２の組電池１２のリチウムイオン電池で確実にエンジンを始動できる。

また、ニッケル水素電池とリチウムイオン電池は温度特性が異なる。ニッケル水素電池は、リチウムイオン電池よりも低温における出力が大きい。したがって、第１の組電池１１をニッケル水素電池として、第２の組電池１２をリチウムイオン電池とする走行用バッテリ１０は、寒冷地でハイブリッドカーのエンジンを始動するときには、第１の組電池１１のニッケル水素電池からモータ１６に電力を供給してエンジンを始動する。第１の組電池１１は放電によって加温されるが、加温された第１の組電池１１で第２の組電池１２を加温して、第２の組電池１２も使用できる状態にできる。第２の組電池１２が所定の温度まで加温された状態になると、モータ１６に要求される出力特性から第１の組電池１１と第２の組電池１２が選択される。

図１の電源装置は、第１の組電池１１と第２の組電池１２の車両側にスイッチング素子２１を接続している。スイッチング素子２１はＦＥＴで、走行用バッテリ１０からモータ１６に電力を供給するのを制御する素子として接続している。スイッチング素子２１は、第１の組電池１１の出力側に接続している第１のスイッチング素子２１Ａと、第２の組電池１２の出力側に接続している第２のスイッチング素子２１Ｂとからなる。スイッチング素子２１は、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ等のパワートランジスタである。スイッチング素子２１は、オンオフに切り換えられるデューティーを変更して、組電池からモータ１６への供給電力をコントロールする。

制御回路２０は、第１のスイッチング素子２１Ａと第２のスイッチング素子２１Ｂをオンオフに制御すると共に、オンオフに切り換えるデューティーを制御して、第１の組電池１１と第２の組電池１２からの出力を制御する。図２は、制御回路２０が第１のスイッチング素子２１Ａと第２のスイッチング素子２１Ｂをオンオフに制御して、モータ１６に供給する電力をコントロールする状態を示している。この図において、第１の領域は、第２のスイッチング素子２１Ｂをオフに保持して、第１のスイッチング素子２１Ａをオンオフに切り換えて、第１の組電池１１のニッケル水素電池からモータ１６に供給する電力をコントロールしている。第１のスイッチング素子２１Ａのデューティーが制御回路２０にコントロールされて、第１の組電池１１からモータ１６への供給電力はコントロールされる。第２のスイッチング素子２１Ｂはオフに保持されるので、第２の組電池１２のリチウムイオン電池からは、モータ１６には電力が供給されない。

第２の領域は、第１のスイッチング素子２１Ａをオフに保持して、第２のスイッチング素子２１Ｂをオンオフに切り換えて、第２の組電池１２からモータ１６に供給する電力を制御している。第２のスイッチング素子２１Ｂのデューティーが制御回路２０にコントロールされて、第２の組電池１２のリチウムイオン電池からモータ１６への供給電力はコントロールされる。第１のスイッチング素子２１Ａはオフに保持されるので、第１の組電池１１のニッケル水素電池は放電されない。

さらに、第３の領域は、第１のスイッチング素子２１Ａと第２のスイッチング素子２１Ｂの両方をオンオフに切り換えて、第１の組電池１１と第２の組電池１２からモータ１６に供給する電力をコントロールしている。第１のスイッチング素子２１Ａと第２のスイッチング素子２１Ｂとは、同時にはオンに切り換えられず、いずれかをオンに切り換えて、第１の組電池１１と第２の組電池１２から時分割に電力を供給する。第１のスイッチング素子２１Ａと第２のスイッチング素子２１Ｂとをタイミングをずらせてオンに切り換える回路構成は、第１の組電池１１と第２の組電池１２とに電圧差が発生しても、両方の組電池からモータ１６に電力を供給できる。この状態においても、第１のスイッチング素子２１Ａと第２のスイッチング素子２１Ｂのデューティーを制御回路２０で制御して、第１の組電池１１と第２の組電池１２からモータ１６への供給電力をコントロールできる。

図１の電源装置は、制御回路２０でもって、第１のスイッチング素子２１Ａと第２のスイッチング素子２１Ｂをオンオフに切り換えて、第１の組電池１１と第２の組電池１２からモータ１６に供給する電力をコントロールする。また、この図の電源装置は、第１のスイッチング素子２１Ａと第２のスイッチング素子２１Ｂとをオンオフに制御して、ＤＣ／ＡＣインバータ１５から供給される各々の組電池の充電電流もコントロールする。第１のスイッチング素子２１Ａをオンにして第１の組電池１１を充電し、第２のスイッチング素子２１Ｂをオンにして第２の組電池１２を充電する。各々の組電池を充電する状態においても、制御回路２０は第１のスイッチング素子２１Ａと第２のスイッチング素子２１Ｂとを同時にはオンに切り換えない。第１の組電池１１を充電するときは、第２のスイッチング素子２１Ｂをオフにして第１のスイッチング素子２１Ａをオンに切り換える。第２の組電池１２を充電するときは、第１のスイッチング素子２１Ａをオフにして第２のスイッチング素子２１Ｂをオンに切り換える。各々の組電池を充電するとき、制御回路２０はスイッチング素子２１をオンオフに切り換えることなく、連続してオン状態に保持して組電池を充電する。ただし、スイッチング素子をオンオフに切り換えて、充電電流をコントロールすることもできる。

［第２の実施例］
第１の組電池１１と第２の組電池１２は充放電されて電圧差が発生する。ニッケル水素電池からなる第１の組電池１１は、残容量に対する電圧変化が小さく、リチウムイオン電池からなる第２の組電池１２は残容量に対する電圧差が大きい。また、第１の組電池１１と第２の組電池１２とは、各々を最適な状態で放電されるので、残容量は等しくならない。したがって、第１の組電池１１と第２の組電池１２は、定格電圧を等しくしても、使用される状態では常に等しくはならない。

図３の電源装置は、各々の組電池の出力電圧を、一定の電圧に安定化して出力するＤＣ／ＤＣコンバータ３１を備える。第１の組電池１１の出力側には第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３１Ａを接続している。第２の組電池１２の出力側には、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３１Ｂを接続している。第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３１Ａと第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３１Ｂは出力電圧を安定化して同じ電圧としている。この電源装置は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３１Ａと第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３１Ｂからの出力を制御回路３０で制御して、第１の組電池１１と第２の組電池１２からモータ１６への供給電力をコントロールしている。

制御回路３０が第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３１Ｂを動作状態としないで、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３１Ａを動作状態とするとき、第１の組電池１１のニッケル水素電池からモータ１６に電力が供給される。反対に、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３１Ａを動作状態としないで、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３１Ｂを動作状態として、第２の組電池１２のリチウムイオン電池からモータ１６に電力を供給できる。さらに、制御回路３０が第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３１Ａと第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３１Ｂの両方を動作状態として、第１の組電池１１と第２の組電池１２の両方からモータ１６に電力を供給できる。両方のＤＣ／ＤＣコンバータ３１を動作状態として、第１の組電池１１と第２の組電池１２からモータ１６に電力を供給するとき、各々のＤＣ／ＤＣコンバータ３１の出力を制御回路３０でコントロールして、第１の組電池１１と第２の組電池１２からモータ１６に供給する電力比をコントロールすることができる。第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３１Ａと第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３１Ｂが、電圧を変換する出力トランスの１次側に接続しているスイッチング素子をオンオフに切り換えるデューティーを変更して、出力をコントロールしているからである。

したがって、図３の電源装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１の出力をコントロールして、第１の組電池１１と第２の組電池１２からモータ１６に供給する電力比を最適値にコントロールすることができる。また、この電源装置は、第１の組電池１１と第２の組電池１２の出力を一定の電圧に安定化して出力するので、残容量によって第１の組電池１１と第２の組電池１２の電圧差が発生しても、第１の組電池１１と第２の組電池１２から理想的な状態でモータ１６に電力を供給できる。

図３の電源装置は、制御回路３０にコントロールされて、第１の組電池１１と第２の組電池１２の充電を制御する充電回路３２を備えている。充電回路３２は、第１の組電池１１の充電を制御する第１の充電回路３２Ａと、第２の組電池１２の充電を制御する第２の充電回路３２Ｂとからなる。第１の充電回路３２Ａと第２の充電回路３２Ｂは、第１の組電池１１と第２の組電池１２の残容量が設定範囲となるように、各々の組電池の充電をコントロールする。第１の組電池１１の残容量が少なくなると、第１の充電回路３２Ａが第１の組電池１１を充電し、また、第２の組電池１２の残容量が少なくなると、第２の充電回路３２Ｂが第２の組電池１２を充電する。各々の充電回路３２は、各々の組電池の残容量を設定範囲とするように充電を制御する。

車両は、回生制動で組電池を充電し、またエンジンで組電池を充電する。組電池を充電するときは、モータ１６に電力を供給しない。いいかえると、モータ１６で駆動する必要があるタイミングで、組電池は充電されない。各々の組電池の残容量が設定範囲より小さくなると、充電できるタイミングにおいて、各々の組電池が充電される。このとき、第１の組電池１１と第２の組電池１２は、いずれの組電池の充電が最適であるか、すなわち、残容量が設定範囲にあるかどうかを制御回路３０で判定して、第１の組電池１１と第２の組電池１２の充電が調整される。各々の充電回路３２は、組電池の残容量が設定値になると充電を停止する。

本発明の一実施例にかかる車両用の組電池の概略構成図である。 図１に示す電源装置の制御回路が第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子をオンオフに制御する状態を示すタイミングチャート図である。 本発明の他の実施例にかかる車両用の組電池の概略構成図である。

符号の説明

１０…走行用バッテリ
１１…第１の組電池
１２…第２の組電池
１５…ＤＣ／ＡＣインバータ
１６…モータ
１７…発電機
２０…制御回路
２１…スイッチング素子 ２１Ａ…第１のスイッチング素子
２１Ｂ…第２のスイッチング素子
３０…制御回路
３１…ＤＣ／ＤＣコンバータ ３１Ａ…第１のＤＣ／ＤＣコンバータ
３１Ｂ…第２のＤＣ／ＤＣコンバータ
３２…充電回路 ３２Ａ…第１の充電回路
３２Ｂ…第２の充電回路

Claims (5)

1. 車両を走行させるモータ(16)に電力を供給する走行用バッテリ(10)と、この走行用バッテリ(10)からモータ(16)に供給する電力を制御する制御回路(20)、(30)とを備える車両用の電源装置であって、
   前記走行用バッテリ(10)が、出力特性の異なる第１の組電池(11)と第２の組電池(12)とを備え、前記制御回路(20)、(30)が、第１の組電池(11)からモータ(16)に供給する電力と、第２の組電池(12)からモータ(16)に供給する電力とを制御するようにしてなる車両用の電源装置。
2. 車両を走行させるモータ(16)に電力を供給する走行用バッテリ(10)と、この走行用バッテリ(10)からモータ(16)に供給する電力を制御する制御回路(20)、(30)とを備える車両用の電源装置であって、
   前記走行用バッテリ(10)が、温度特性の異なる第１の組電池(11)と第２の組電池(12)とを備え、前記制御回路(20)、(30)が、第１の組電池(11)からモータ(16)に供給する電力と、第２の組電池(12)からモータ(16)に供給する電力とを制御するようにしてなる車両用の電源装置。
3. 前記走行用バッテリ(10)の第１の組電池(11)が複数のニッケル水素電池からなり、第２の組電池(12)が複数のリチウムイオン電池からなる請求項１又は２に記載される車両用の電源装置。
4. 前記第１の組電池(11)の出力側に接続してなる第１のＤＣ／ＤＣコンバータ(31A)と、前記第２の組電池(12)の出力側に接続してなる第２のＤＣ／ＤＣコンバータ(31B)とを備え、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ(31A)と第２のＤＣ／ＤＣコンバータ(31B)からの出力が、前記制御回路(30)で制御されるようにしてなる請求項１又は２に記載される車両用の電源装置。
5. 前記第１の組電池(11)の出力側に接続している第１のスイッチング素子(21A)と、前記第２の組電池(12)の出力側に接続している第２のスイッチング素子(21B)とを備え、前記制御回路(20)、(30)が、第１のスイッチング素子(21A)と第２のスイッチング素子(21B)をオンオフに制御すると共に、オンオフに切り換えるデューティーを制御して、第１の組電池(11)と第２の組電池(12)からの出力を制御するようにしてなる請求項１又は２に記載される車両用の電源装置。

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