JPH06292305A

JPH06292305A - モータ駆動用電源装置

Info

Publication number: JPH06292305A
Application number: JP5100341A
Authority: JP
Inventors: Kozo Yamaguchi; 幸蔵山口
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 1993-04-02
Filing date: 1993-04-02
Publication date: 1994-10-18
Anticipated expiration: 2016-05-28
Also published as: JP3171217B2

Abstract

(57)【要約】【目的】バッテリにキャパシタを並列に接続した電源
装置において、キャパシタの容量を最大限に活用できる
ようにする。【構成】インバータ２に直流電流を供給するバッテリ
３にキャパシタ４が並列に接続された電源装置におい
て、キャパシタ電圧センサ１０によって検出されるキャ
パシタ４の電圧に応じて、バッテリ電流制御手段６およ
びキャパシタ電流制御手段８を用いてバッテリ３の電流
を制御することによって、キャパシタ４の電圧を最適な
範囲内に制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はモータ駆動用電源装置に
係り、詳細には、電気自動車等のモータを駆動するため
のモータ駆動用電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にモータを動力源とする電気自動車
は直流電源としてバッテリを搭載しており、そこからの
電力を例えばインバータを介してブラシレスＤＣモータ
へ供給し駆動している。また、電力を無駄にしないため
に、制動時に発電される電力をバッテリへ返還する回生
制動が採用されている。すなわち、電源装置としては、
加速または定速走行時にバッテリから電力を取り出し、
減速時にバッテリへ電力を返還するように構成されてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
従来の電源装置では、加速および減速時の走行条件によ
っては、バッテリに対して急速な放電および充電が行わ
れることがある。このような急速な充放電を繰り返す
と、充放電の効率が低下したり、バッテリの寿命が短く
なったりするという問題があった。そこで、従来より、
例えば特開昭４９−３７３１７号公報に示されるよう
に、キャパシタ（コンデンサ）とバッテリを併用して、
バッテリの過充電、過放電を防止することが提案されて
いる。

【０００４】図１９は従来の電源装置の一例を示す回路
図である。この電源装置は、直流をモータ１０１を駆動
するための交流に変換するインバータ１０２に接続され
たバッテリ１０３と、このバッテリ１０３に対して並列
に接続されたキャパシタ１０４とを備えている。この電
源装置において、インバータ１０２に供給される電流Ｉ
_INVは、バッテリ１０３から供給される電流Ｉ_Bとキャ
パシタ１０４から供給される電流Ｉ_Cの和となる。図２
０（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ短時間の過放電のときのＩ
_INV、Ｉ_C、Ｉ_Bの時間的変化を示し、（ｄ）〜（ｆ）
はそれぞれ長時間の過放電のときのＩ_INV、Ｉ_C、Ｉ_B
の時間的変化を示すものである。キャパシタ１０４は内
部抵抗が小さいため、図２０（ａ）〜（ｃ）に示すよう
に短時間の過放電、過充電には効果が大きい。

【０００５】しかしながら、キャパシタ１０４の容量が
バッテリ１０３よりかなり小さいため、図２０（ｄ）〜
（ｆ）に示すように長時間の過放電では、キャパシタ１
０４から取り出せる電流が低下して、バッテリ１０３が
過放電状態となるという問題がある。一方、長時間の過
充電ではバッテリ１０３が過充電となるという問題があ
る。この原因は、バッテリとキャパシタの放電時の電圧
特性によるものである。すなわち、図２１（ａ）に示す
ようにキャパシタから一定電流を放電した場合、キャパ
シタの電圧Ｖ_Cは（ｂ）に示すようになる。一方、
（ｃ）に示すようにバッテリから一定電流を放電した場
合、バッテリの電圧Ｖ_Bは（ｄ）に示すようになる。こ
れらの図２１に示すように、キャパシタの電圧は直線的
に降下するのに対し、バッテリの電圧はあまり降下しな
い。

【０００６】図１９に示すようにバッテリとキャパシタ
を並列に接続した場合、この電圧特性の差は次の点で問
題となる。すなわち、キャパシタから放電して、Ｖ_C<<
Ｖ_Bとなると、キャパシタからは放電できなくなるた
め、電流を全てバッテリから賄わなければならない。ま
た、充電時も、Ｖ_C>>Ｖ_Bとなると、キャパシタは充電
できなくなる。このため、バッテリに並列接続したキャ
パシタがその効果を発揮するのは、Ｖ_C≒Ｖ_Bの場合の
みで、キャパシタの全容量のごく一部である。また、こ
れにより、短時間の過充電、過放電しか行うことができ
ないことになる。

【０００７】そこで、本発明の目的は、バッテリに並列
接続したキャパシタの容量を最大限に活用できるように
したモータ駆動用電源装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、モータ駆動回路に接続されたバッテリと、このバッ
テリに並列に接続されたキャパシタと、前記バッテリと
キャパシタの各々の電流を制御する電流制御手段と、前
記キャパシタの電圧を検出する電圧検出手段と、この電
圧検出手段によって検出されるキャパシタの電圧に応じ
て前記電流制御手段を用いてバッテリまたはキャパシタ
の電流を制御することによって、キャパシタの電圧を所
定の範囲内に制御するキャパシタ電圧制御手段とを、モ
ータ駆動用電源装置に具備させることによって、前記目
的を達成する。

【０００９】

【作用】このモータ駆動用電源装置では、電圧検出手段
によってキャパシタの電圧が検出され、キャパシタ電圧
制御手段が、検出されたキャパシタの電圧に応じて電流
制御手段を用いてバッテリまたはキャパシタの電流を制
御することによって、キャパシタの電圧が所定の範囲内
に制御される。

【００１０】

【実施例】以下、本発明のモータ駆動用電源装置におけ
る一実施例を図１ないし図１８を参照して詳細に説明す
る。図１は本実施例の電源装置を用いた電気自動車の駆
動制御回路を示すブロック図である。この駆動制御回路
は、電源装置からの直流をモータ１を駆動するための交
流に変換するモータ駆動回路としてのインバータ２と、
このインバータ２に接続された電源装置とを備えてい
る。電源装置は、インバータ２に接続されたバッテリ３
と、このバッテリ３に対して並列に接続された大容量の
キャパシタ４と、バッテリ３に対して直列に接続された
バッテリ電流センサ５およびバッテリ電流制御手段６を
備えている。また、電源装置は、キャパシタ４に対して
直列に接続されたキャパシタ電流センサ７およびキャパ
シタ電流制御手段８と、バッテリ３の両端に接続された
バッテリ電圧センサ９と、キャパシタ４の両端に接続さ
れたキャパシタ電圧センサ１０を備えている。ここで、
モータ１は例えばブラシレスＤＣモータであり、インバ
ータ２は例えばトランジスタとダイオードを用いたブリ
ッジ回路と平滑コンデンサとを有し、電源装置からの直
流を三相交流に変換するものである。

【００１１】図２は図１の駆動制御回路の各部を制御す
る制御系の構成を示すブロック図である。本実施例の電
源装置は、例えばマイクロコンピュータ等からなる演算
装置１２を備えている。この演算装置１２には、バッテ
リ電流センサ５、キャパシタ電流センサ７、バッテリ電
圧センサ９およびキャパシタ電圧センサ１０の各出力が
入力されると共に、モータ指令値やバッテリ残量、車速
等の各種検出信号が入力されるようになっている。ここ
で、モータ指令値は、アクセルセンサ、ブレーキセンサ
等による運転者の走行要求に対応してモータの出力を決
定するための指令値である。また、演算装置１２は、イ
ンバータ２、バッテリ電流制御手段６およびキャパシタ
電流制御手段８を制御するようになっている。

【００１２】図３はバッテリ電流制御手段６とキャパシ
タ電流制御手段８の構成例を示す回路図である。この図
３（ａ）に示す例では、トランジスタ１３のエミッタと
トランジスタ１４のコレクタを接続し、トランジスタ１
３のコレクタとトランジスタ１４のエミッタを接続し、
各接続点の一方を電流センサ５、７に接続し、他方をバ
ッテリ３あるいはキャパシタ４に接続したものである。
この回路では、各トランジスタ１３、１４をオン、オフ
制御することによって、通過可能な電流の方向が決定さ
れると共に、トランジスタ１３、１４を任意のデューテ
ィ比でスイッチングすることにより通過電流が制御され
るようになっている。

【００１３】図３（ｂ）に示す例では、トランジスタ１
３のエミッタとダイオード１６のアノードを接続し、ト
ランジスタ１３のコレクタ、ダイオード１６のカソー
ド、トランジスタ１７のコレクタおよびダイオード１８
のカソードを接続し、トランジスタ１７のエミッタとダ
イオード１８のアノードを接続し、トランジスタのエミ
ッタとダイオードのアノードの２つの接続点の一方を電
流センサ５、７に接続し、他方をバッテリ３あるいはキ
ャパシタ４に接続したものである。この回路では、図３
（ａ）の例と同様に、各トランジスタ１５、１７のオ
ン、オフを制御することにより通過可能な電流の方向が
決定されると共に、トランジスタ１５、１７を任意のデ
ューティ比でスイッチングすることにより通過電流が制
御されるようになっている。

【００１４】次に、本実施例の電源装置の動作の概要に
ついて説明する。本実施例では、キャパシタ４の容量を
最大限に活用するために、バッテリ３の許容電流範囲内
でバッテリ３の電流を制御することによって、キャパシ
タ電圧Ｖ_Cを最適電圧範囲に制御する。ここで、キャパ
シタの最適電圧範囲は、次にようにして設定される。ま
ず、キャパシタ許容電圧（耐圧）Ｖ_CCはバッテリ電圧Ｖ
_Bより充分高く設定する。例えば、Ｖ_B＝２００Ｖの場
合、Ｖ_CC＝３００Ｖとする。また、下記の理由（１）、
（２）により、キャパシタ電圧はバッテリ電圧よりあま
り低くしない方が好ましい。（１）キャパシタ電圧がモータの逆起電圧（モータ回転
数に比例）より低いと電源として使用できない。（２）キャパシタ電圧が低いと容量（電圧に比例）も低
く、長時間の過放電を行えない。また、キャパシタ電圧
を上げてＶ_CCに近づけると、長時間の過充電が行えな
い。以上の理由により、キャパシタの最適電圧範囲を、Ｖ_B
＜Ｖ_C＜Ｖ_Cdとする。なお、Ｖ_Cdは設計的に決定する。

【００１５】ここで、キャパシタ電圧Ｖ_Cにより、図４
に示すように領域を区分する。この図において、Ｖ_Cmax
はキャパシタ最大作動電圧、Ｖ_Cminはキャパシタ最小作
動電圧であり、モータ１が永久磁石モータの場合、モー
タ逆起電圧（モータ回転数に比例）に等しい。そして、
キャパシタ電圧Ｖ_CがなるべくＶ_BからＶ_Cdまでの領域
内となるように制御する。また、０ＶからＶ_Cminまで
の領域ではキャパシタから放電しない。また、Ｖ_Cmax
からＶ_CCまでの領域ではキャパシタに充電しない。

【００１６】そして、本実施例では、次の方針（３）、
（４）でバッテリ電流を制御する。（３）例えば３５Ａを１Ｃとしたとき、バッテリの最大
放電電流（例えば、４Ｃ）と最大充電電流（例えば１
Ｃ）を越えないようにバッテリ電流を制御する。（４）図５に示すように、キャパシタ電圧がバッテリ電
圧よりやや高い領域を最適領域とし、上記方針（３）を
満足する範囲でキャパシタ電圧がなるべく最適領域内と
なるようにバッテリ電流を制御する。なお、図５におい
て、領域はバッテリを充電可能なキャパシタの容量の
範囲であり、領域はバッテリが放電可能なキャパシタ
の容量の範囲である。

【００１７】本実施例では、上記方針（３）、（４）を
達成するために、キャパシタ電圧Ｖ_Cに応じてバッテリ
電流を図６に示すように制御する。この図６において、
実線はバッテリ放電電流を示し、破線はバッテリ充電電
流を示す。あるいは、バッテリの充放電効率および寿命
を上げるために、図７に示すように制御しても良い。

【００１８】ここで、図８および図９を用いて、図７に
示す制御を行う場合の動作の例について説明する。図８
はバッテリの放電、充電電流の制御内容を示す特性図で
ある。本実施例では、無負荷時、駆動時、回生時によら
ず、バッテリの放電、充電電流が図８の線図に従うよう
に制御する。線図は予め定められているが、走行中の各
時刻における駆動、回生電流やバッテリ残量、車速等を
パラメータとして補正しても良い。

【００１９】以下、図９（ａ）〜（ｃ）を参照して、バ
ッテリ電流の制御方法の具体例について説明する。な
お、これらの図において、バッテリ電流制御手段を
Ｃ_B、キャパシタ電流制御手段をＣ_C、インバータをＩ
ＮＶと表すこととする。例（１）：必要電流Ｉ_INVがバッテリ放電電流Ｉ_Bmより
大きい場合。この場合は、図９（ａ）に示すように、キ
ャパシタ４から放電して、Ｉ_INV＝Ｉ_Bm＋Ｉ_Cとする。例（２）：必要電流Ｉ_INVがバッテリ放電電流Ｉ_Bmより
小さい場合。この場合は、図９（ｂ）に示すように、キ
ャパシタ４に充電して、Ｉ_Bm＝Ｉ_INV＋Ｉ_Cとする。例（３）：キャパシタ電圧Ｖ_CがＶ_Cdより大きい場合。
この場合は、図９（ｃ）に示すように、キャパシタ４か
らバッテリ３に充電してＩ_C＝Ｉ_GBm（バッテリ充電電
流）＋Ｉ_INVとする。以上の各制御は、バッテリ電流センサ５およびキャパシ
タ電流センサ７で電流をモニタしながら、バッテリ電流
制御手段６およびキャパシタ電流制御手段８でバッテリ
電流およびキャパシタ電流を制御して行う。

【００２０】次に、本実施例におけるバッテリ電流の制
御の内容を、無負荷時、駆動時、回生時に分けて、詳細
に説明する。１．無負荷時無負荷時は、図１０に示す線図に従って、キャパシタ電
圧に応じてバッテリ電流を制御する。この図１０におい
て、Ｉ_Bmaxはバッテリ最大放電電流を、Ｉ_GBmaxはバッ
テリ最大充電電流を、それぞれ示す。これらＩ_Bmax、Ｉ
_GBmaxは定数であるが、バッテリ残量（またはその代用
値であるバッテリ電圧、温度等）の関数としても良い。
一般的に、バッテリ残量が大きい程、Ｉ_Bmaxは大きく、
Ｉ_GBmaxは小さく、バッテリ残量が小さい程、Ｉ_Bmaxは
小さく、Ｉ_GBmaxは大きくなる。また、バッテリ放電電
流Ｉ_Bmとバッテリ充電電流Ｉ_GBmは、図１１に示すよう
に、所定の領域内で一定値としても良いが、Ｉ_Bm、Ｉ
_GBmをなるべく低くした方が充放電効率やバッテリ寿命
の点で好ましい。

【００２１】以下、図１０または図１１に従った制御方
法の内容を具体的に説明する。（１）０＜Ｖ_C＜Ｖ_Bの場合は、バッテリ３からキャパ
シタ４に充電する。この場合、Ｉ_B＝Ｉ_C＝Ｉ_Bmとな
る。バッテリ電流の制御は、図１２（ａ）に示すように
バッテリ電流制御手段６で行っても良いし、（ｂ）に示
すようにキャパシタ電流制御手段８で行っても良い。（２）Ｖ_B＜Ｖ_C＜Ｖ_Cdの場合は、充放電は行わない。
この場合、図１２（ｃ）に示すようにバッテリ電流制御
手段６で電流を遮断しても良いし、（ｄ）に示すように
キャパシタ電流制御手段８で電流を遮断しても良い。（３）Ｖ_Cd＜Ｖ_C＜Ｖ_CCの場合は、キャパシタ４からバ
ッテリ３に充電する。この場合、Ｉ_B＝Ｉ_C＝Ｉ_GBmax
となる。バッテリ電流の制御は、図１２（ｅ）に示すよ
うにバッテリ電流制御手段６で行っても良いし、（ｆ）
に示すようにキャパシタ電流制御手段８で行っても良
い。

【００２２】２．駆動時駆動時は、図１３に示す線図に従って、キャパシタ電圧
に応じてバッテリ電流を制御する。なお、バッテリ最大
放電電流Ｉ′_Bmax、バッテリ最大充電電流Ｉ′_GBmaxは
バッテリ残量の関数としても良い。また、駆動電流Ｉ
_INVの関数としても良い。この場合、Ｉ_INVが大きい
程、Ｉ′_Bmaxは大きくなる。また、Ｖ_Cminは車速度が上
がる程大きくなるため、それに応じてＩ_Bm＝Ｉ′_Bmaxの
最大領域を広げる必要がある。また、図中、斜線で示す
領域は、インバータ駆動電流Ｉ_INVに応じてバッテリ放
電電流を上げる領域を示す。

【００２３】駆動時には、キャパシタ電圧Ｖ_Cとインバ
ータ駆動電流Ｉ_INVにより、制御領域を図１４に示すよ
うに分類して、以下のように制御する。（１）領域Ａ：この領域に入らないようにＩ_INVを制御
する。（２）領域Ｂ：駆動電流はバッテリ３から出力すると共
に、バッテリ３によりキャパシタ４を充電する。この場
合、Ｉ_B＝Ｉ_Bm＝Ｉ_INV＋Ｉ_Cとなる。ここで、Ｉ_Cの
制御は、図１５（ａ）に示すように、キャパシタ電流制
御手段８によって行う。（３）領域Ｃ：駆動電流はバッテリ３から出力する。こ
の場合、Ｉ_B＝Ｉ_INVとなる。また、この場合、図１５
（ｂ）に示すように、キャパシタ電流制御手段８によっ
てキャパシタ電流を遮断する。（４）領域Ｄ（Ｄ₁、Ｄ₂）：バッテリ３からＩ_B＝Ｉ
_Bmを出力する。残分は、キャパシタ４から出力する。こ
の場合、Ｉ_C＝Ｉ_INV−Ｉ_Bとなる。領域Ｄ₁では図１
５（ｃ）に示すようにバッテリ電流制御手段６によって
Ｉ_Bを制御し、領域Ｄ₂では（ｄ）に示すようにキャパ
シタ電流制御手段８によってＩ_Cを制御する。（５）領域Ｅ：駆動電流はキャパシタ４から出力すると
共に、Ｉ_B＝Ｉ_GBmにてキャパシタ４よりバッテリ３を
充電する。この場合、Ｉ_C＝Ｉ_INV＋Ｉ_Bとなる。ま
た、この場合は、図１５（ｅ）に示すようにバッテリ電
流制御手段６によってＩ_Bを制御、または（ｆ）に示す
ようにキャパシタ電流制御手段８によってＩ_Cを制御す
る。

【００２４】３．回生時回生時は、図１６に示す線図に従って、キャパシタ電圧
に応じてバッテリ電流を制御する。なお、バッテリ最大
放電電流Ｉ″_Bmax、バッテリ最大充電電流Ｉ″ _GBmaxは
バッテリ残量、回生電流、車速等の関数としても良い。
回生時には、キャパシタ電圧Ｖ_Cとインバータ駆動電流
Ｉ_INVにより、制御領域を図１７に示すように分類し
て、以下のように制御する。（１）領域Ａ：回生電流はキャパシタ４に充電すると共
に、Ｉ_B＝Ｉ_Bmにてバッテリ３からキャパシタ４に充電
する。この場合、Ｉ_C＝Ｉ_INV＋Ｉ_Bとなる。また、こ
の場合は、図１８（ａ）に示すようにキャパシタ電流制
御手段８によってＩ_Cを制御、または（ｂ）に示すよう
にバッテリ電流制御手段６によってＩ_Bを制御する。（２）領域Ｂ：回生電流はキャパシタ４に充電する。こ
の場合、図１８（ｃ）に示すように、バッテリ電流制御
手段６によってバッテリ電流を遮断する。（３）領域Ｃ：Ｉ_B＝Ｉ_GBmにてバッテリ３に充電す
る。残分はキャパシタ４に充電する。この場合、Ｉ_C＝
Ｉ_INV−Ｉ_Bとなる。また、この場合は、図１８（ｄ）
に示すようにバッテリ電流制御手段６によってＩ_Bを制
御する。（４）領域Ｄ：回生電流はバッテリ３に充電すると共
に、キャパシタ４からバッテリ３に充電する。この場
合、Ｉ_B＝Ｉ_INV＋Ｉ_Cとなる。また、この場合は、図
１８（ｅ）に示すようにバッテリ電流制御手段６によっ
てＩ_Bを制御、または（ｆ）に示すようにキャパシタ電
流制御手段８によってＩ_Cを制御する。（５）領域Ｅ：この領域に入らないようにＩ_INVを制御
する。

【００２５】なお、上記実施例では電気自動車のモータ
駆動用の電源装置について説明したが、本発明は電気自
動車に限定されるものではなく、バッテリおよびキャパ
シタを用いてモータを駆動する装置一般に適用すること
ができる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、キ
ャパシタの電圧に応じてバッテリまたはキャパシタの電
流を制御することによって、キャパシタの電圧を所定の
範囲内に制御するようにしたので、バッテリに並列接続
したキャパシタの容量を最大限に活用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電源装置の一実施例を用いた電気自動
車の駆動制御回路を示すブロック図である。

【図２】図１の駆動制御回路の各部を制御する制御系の
構成を示すブロック図である。

【図３】図１における電流制御手段の構成例を示す回路
図である。

【図４】一実施例における制御のためのキャパシタ電圧
による領域の区分を示す説明図である。

【図５】一実施例におけるキャパシタ電圧の最適領域を
示す説明図である。

【図６】一実施例におけるバッテリ電流の制御内容を示
す特性図である。

【図７】一実施例におけるバッテリ電流の制御内容の他
の例を示す特性図である。

【図８】一実施例におけるバッテリ電流の制御内容の具
体例を説明するための説明図である。

【図９】図９の例における電流の制御方法を示す説明図
である。

【図１０】一実施例における無負荷時のバッテリ電流の
制御内容を示す特性図である。

【図１１】一実施例における無負荷時のバッテリ電流の
制御内容の他の例を示す特性図である。

【図１２】図１０または図１１の制御内容に従った電流
の制御方法を示す説明図である。

【図１３】一実施例における駆動時のバッテリ電流の制
御内容を示す特性図である。

【図１４】一実施例における駆動時のバッテリ電流の制
御のための領域の区分を示す説明図である。

【図１５】図１３の制御内容に従った電流の制御方法を
示す説明図である。

【図１６】一実施例における回生時のバッテリ電流の制
御内容を示す特性図である。

【図１７】一実施例における回生時のバッテリ電流の制
御のための領域の区分を示す説明図である。

【図１８】図１６の制御内容に従った電流の制御方法を
示す説明図である。

【図１９】従来の電源装置の一例の構成を示す回路図で
ある。

【図２０】図１９における放電時の電流変化を示す特性
図である。

【図２１】図１９におけるバッテリとキャパシタの放電
時の電流、電圧特性を示す特性図である。

【符号の説明】

１モータ２インバータ３バッテリ４キャパシタ５バッテリ電流センサ６バッテリ電流制御手段７キャパシタ電流センサ８キャパシタ電流制御手段９バッテリ電圧センサ１０キャパシタ電圧センサ１２演算装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】モータ駆動回路に接続されたバッテリ
と、このバッテリに並列に接続されたキャパシタと、前記バッテリとキャパシタの各々の電流を制御する電流
制御手段と、前記キャパシタの電圧を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段によって検出されるキャパシタの電圧
に応じて前記電流制御手段を用いてバッテリまたはキャ
パシタの電流を制御することによって、キャパシタの電
圧を所定の範囲内に制御するキャパシタ電圧制御手段と
を具備することを特徴とするモータ駆動用電源装置。