JP2011188601A - 移動体搭載二次電池の充電システムおよび電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池充電専用の装置の不要化と、これによる該充電専用装置購入のコスト削減と該装置設置スペースの節約化とを可能とする。
【解決手段】二次電池１と、二次電池１に接続された双方向性電力変換器２と、双方向性電力変換器２に接続されたモータジェネレータ４とを備え、双方向性電力変換器２をモータジェネレータ４から切り離して二次電池充電用電源装置５内の交流電源Ｐ１に接続操作し、この操作により充電専用装置ではなく、モータジェネレータへの電力変換用の双方向性電力変換器２を利用して二次電池１に充電させることが可能な構成。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動車両等の移動体搭載の二次電池への充電システムおよびこのシステムを備えた電動車両に関するものである。

環境に配慮した自動車として、ハイブリッド自動車および電気自動車等のごとく動力源全体または動力源の一部にモータを使用する電動車両が注目されている。

ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、インバータを介して直流電源により駆動されるモータを動力源とする自動車である。また、電気自動車は、インバータを介して直流電源によって駆動されるモータを動力源とする自動車である。

このような電動車両では一般にモータの駆動電源として二次電池を含む。この二次電池では電動車両の走行に伴いその蓄積電力が放電すると、充電する必要がある。

この二次電池の充電システムを図４（ａ）（ｂ）を参照して説明すると、１０はモータ駆動電源である二次電池、２０は電力変換器、３０は電動車両の車輪等の動力源であるモータ、４０は二次電池への充電専用装置、５０は充電に用いる商用交流電源である。

モータ３０の駆動時は、図４（ａ）で示すように、二次電池１０の蓄積電力は電力変換器２０により直流−交流変換されてモータ３０に印加される。

二次電池１０に充電するときは図４（ｂ）で示すように充電専用装置４０が二次電池１０両端間に接続され、この充電専用装置４０は電力変換器で構成されており、商用交流電源５０の交流電力を直流電力に変換して充電される。なお、こうした電動車両の二次電池に対する充電に関しての特許文献を数例下記する。

特開２００９−２９６８２０号公報 特開２００９−２７８７０５号公報 特開２００９−２２５５８７号公報

上記構成の充電システムにおいては、二次電池１０充電のために充電専用装置４０を必要としているが、こうした充電専用装置４０は電力変換器により構成されており高価であることに加えて、物理的なサイズも大きいから電気自動車内に充電専用装置４０の設置に相当なスペースを必要とする。

そこで、本発明では、電動車両に備えられる二次電池１０の電力変換器２０を充電に利用するようにしたことで充電専用装置４０の購入コストの削減とスペースの節約とを可能とすることを解決すべき課題としている。

本発明第１は、二次電池と、上記二次電池に接続された双方向性電力変換器と、上記双方向性電力変換器に接続されたモータやジェネレータ等の負荷と、を備えたシステムであって、上記双方向性電力変換器を上記負荷から切り離して二次電池充電用電源に接続操作することが可能でこの操作により上記二次電池充電用電源の電力を上記双方向性電力変換器を介して上記二次電池に充電させることが可能なモード切替操作部を備えた、ことを特徴とする二次電池充電システムである。

上記二次電池には、例えば、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池がある。

本発明第１の二次電池充電システムでは、充電専用装置を用いなくても、モード切替操作部により、二次電池充電用交流電源を双方向性電力変換器に接続し、この双方向性電力変換器を介して二次電池に二次電池充電用交流電源の電力を充電させることができるので、充電専用装置の購入コストの削減とその装置設置スペースの節約とが可能となる。

本発明第２は、二次電池と、二次電池に接続された双方向性電力変換器と、双方向性電力変換器に接続されたモータやジェネレータ等の負荷と、を備えた構成を具備すると共に、さらに上記負荷が複数コイルがスター結線された負荷またはデルタ結線された負荷であり、これら複数コイルを互いに接続状態と非接続状態とに切り替えると共に上記非接続状態において複数コイルを二次電池充電用の交流電源に接続するモード切替操作部を設けた、ことを特徴とする二次電池充電システムである。

本発明第２の二次電池充電システムでは、充電専用装置を用いなくても、モード切替操作部により、二次電池充電用交流電源を複数コイルの一端側を介して双方向性電力変換器に接続し、この双方向性電力変換器を介して二次電池に二次電池充電用交流電源の電力を充電させることができるので、充電専用装置の購入コストの削減とその装置設置スペースの節約とが可能となる。

本発明第３の二次電池充電システムは、二次電池と、二次電池に接続された双方向性電力変換器と、双方向性電力変換器に接続されたモータやジェネレータ等の負荷と、を備えた移動体搭載二次電池充電システムであって、上記双方向性電力変換器と、二次電池充電用電源に接続された、絶縁トランスまたは非接触給電装置の一方と、上記双方向性電力変換器を上記絶縁トランスまたは非接触給電装置の一方か負荷かにその接続を切り替え操作するモード切替操作部と、を具備し、上記モード切替操作部により絶縁トランスまたは非接触給電装置の一方側に切り替えたときは、絶縁トランスまたは非接触給電装置の一方、モード切替操作部および双方向性電力変換器を介して二次電池充電用電源の電力を二次電池に充電可能とした、ことを特徴とする二次電池充電システムである。

本発明第３の二次電池充電システムでは、充電専用装置を用いなくても、モード切替操作部により、二次電池充電用交流電源を双方向性電力変換器に接続することで二次電池に充電用交流電源の電力を充電させることができるので、充電専用装置の購入コストの削減とその装置設置スペースの節約とが可能となる。

上記本発明第１ないし第３のシステムでは、上記構成を電動車両を含む移動体に実装することができる。この電動車両としては、そのモータ等の負荷駆動源の全部あるいは一部に電池による電気エネルギを使用している車両であれば良く、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド鉄道車両、フォークリフト、電気車いす、電動アシスト自転車、電動スクータが挙げられる。

本発明によれば、二次電池とモータやジェネレータ等の負荷との間に介在する双方向性電力変換器を二次電池充電に利用するので、充電専用装置が不要化し、結果、当該充電専用装置購入のコスト削減と該装置設置スペースの節約化とを可能とすることができる。

図１は本発明の実施の形態１にかかる二次電池充電システムを備えた移動体内のモータジェネレータ駆動系を示す図である。 図２（ａ）は本発明の実施の形態２にかかる二次電池充電システムを備えた移動体内のモータジェネレータ駆動系の構成を示す図、図２（ｂ）はモータジェネレータの変形例を含む、図２（ａ）の要部のみ示す図である。 図３は本発明の実施の形態３にかかる二次電池充電システムを備えた移動体内のモータジェネレータ駆動系の構成を示す図である。 図４は移動体内のモータジェネレータ駆動系において二次電池への充電構成を示す図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る移動体搭載の二次電池への充電システムを説明する。

（実施の形態１）
図１を参照して、１は二次電池、２は双方向性電力変換器、３は駆動モード／充電モードを切替えるモード切替操作部、４はモータジェネレータ（回転電機）、５は、二次電池１の充電用の電源装置である。Ｌ２，Ｌ３はリアクトルであり、このリアクトルＬ２，Ｌ３よりもモード切替操作部３側にコンセント／プラグ装置６、または、リアクトルＬ２，Ｌ３よりも充電用電源装置５側にコンセント／プラグ装置７を設ける。モード切替操作部３側にプラグ／コンセント装置６を設ける場合は、二次電池１、双方向性電力変換器２、モード切替操作部３、モータジェネレータ４が電動車両側に搭載される一方、充電用電源装置５は電動車両外となり、電動車両が軽量化される。充電用電源装置５側にプラグ／コンセント装置７を設ける場合は、二次電池１、双方向性電力変換器２、モード切替操作部３、モータジェネレータ４、リアクトルＬ２，Ｌ３が電動車両側に搭載され、家庭側等が簡素化される。

双方向性電力変換器２は、コンバータ２ａと、インバータ２ｂとを備える。コンバータ２ａは、昇降圧チョッパ回路を含み、リアクトルＬ１と、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２と共に、平滑コンデンサＣ１を備える。スイッチング素子Ｑ１およびＱ２は、電源ラインＬＮ１とアースラインＬＮ２との間に直列接続される。リアクトルＬ１は、一端側が二次電池１に、他端側がスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続ノードに接続される。各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のエミッタ／コレクタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すように、逆並列ダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ接続されている。スイッチング素子Ｑ１およびＱ２のゲートには、スイッチング制御信号が与えられ、当該スイッチング制御信号に応答して、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２のオン・オフが制御される。平滑コンデンサＣ１は電源ラインＬＮ１とアースラインＬＮ２との間に接続されて電流、電圧の平滑化に用いる。

コンバータ２ａは、電源ラインＬＮ１およびアースラインＬＮ２の間に設けられ、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング制御によって、モータジェネレータ４がモータとして駆動される時には二次電池１の電圧を昇圧してモータ駆動電圧を生成して出力し、また、モータジェネレータ４がジェネレータとして動作するときは、モータジェネレータ４の発電電力を二次電池１に充電させる。

平滑コンデンサＣ１は、電源ラインＬＮ１およびアースラインＬＮ２の間に接続され、コンバータ２ａから出力されたモータ動作電圧を平滑化してインバータ２ｂへ供給したり、モータジェネレータ４の発電電力を平滑化してコンバータ２ａに供給する。

インバータ２ｂはモータジェネレータ４を車輪駆動モータとして機能させるときはコンバータ２ａ出力をモータ動作電圧として三相交流に変換してモータジェネレータ４に出力するＰＷＭインバータとして機能する一方、モータジェネレータ４に発電された電力をコンバータ２ａに戻すＰＷＭコンバータとして機能する。インバータ２ｂは、電源ラインＬＮ１およびアースラインＬＮ２の間に並列に接続される、Ｕ相アーム２ｂ１、Ｖ相アーム２ｂ２およびＷ相アーム２ｂ３を構成するスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８からなる三相インバータである。各スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８のコレクタ／エミッタ間には、逆並列ダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。

インバータ２ｂの各相アーム２ｂ１、２ｂ２、２ｂ３の中間点のうち、Ｕ，Ｖ，Ｗ相アーム２ｂ１、２ｂ２，２ｂ３の中間点はモード切替操作部３を介して三相の永久磁石モータであるモータジェネレータ４のＵ，Ｖ，Ｗ相コイル（ステータコイル）ＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３の各相端に接続されている。

モード切替操作部３は、Ｕ，Ｖ相アーム２ｂ１、２ｂ２それぞれの中間点に接続された可動接点３ａ１、３ｂ１と、モータジェネレータ４のＵ，Ｖ相コイル（ステータコイル）ＣＬ１，ＣＬ２側に接続された固定接点３ａ２，３ｂ２と、充電用電源装置５側に接続された固定接点３ａ３，３ｂ３と、を備える。

モード切替操作部３の可動接点３ａ１、３ｂ１が固定接点３ａ２，３ｂ２に接続されているときは、モータジェネレータ４が二次電池１の蓄積電力で駆動され、また、モータジェネレータ４が発電機として動作するときはその発電電力を双方向性電力変換器２側を介して二次電池１に供給する。

モード切替操作部３の可動接点３ａ１、３ｂ１が固定接点３ａ３，３ｂ３に接続されているときは、充電用電源装置５からの電力は双方向性電力変換器２を介して二次電池１に電力が充電される。ここで、充電用電源装置５は、交流電源Ｐ１と、平滑コンデンサＣ２とを備える。交流電源Ｐ１は商用電源が好ましいが、それ以外の交流電源、あるいは、分散型直流電源をＤＣ／ＡＣコンバータで交流に変換した電源でもよい。

リアクトルＬ２，Ｌ３は、二次電池１への充電時には双方向性電力変換器２のインバータ２ｂがＰＷＭコンバータ２ｂとして動作する場合にこのＰＷＭコンバータ２ｂの交流側電流のリプル電流を小さくする。また、充電用電源装置５内のコンデンサＣ２は、上記リプル電流を流すことでそのリプル電流が充電用電源装置５内の交流電源Ｐ１に流れないようにする。

以上の構成を備えた実施の形態１の充電システムでは、充電専用装置を用いなくても、モード切替操作部３により、充電用電源装置５を双方向性電力変換器２に接続し、この双方向性電力変換器２を介して二次電池１に充電用電源装置５の電力を充電させることができ、従来の専用装置の購入コストの削減とその装置設置スペースの節約とが可能となる。
なお、平滑コンデンサＣ１に並列にインバータ２ｂと同様のインバータを設け、このインバータにもう１台のモータジェネレータを接続することで、モータジェネレータ２台とした場合、一方をモータ、他方をジェネレータとして動作させてもよく、これらいずれか一方、あるいは両方に充電用電源装置５を設け、モード切替操作部３で二次電池に充電できるようにしてもよい。

（実施の形態２）
図２（ａ）を参照して実施の形態２の充電システムを説明する。図２（ａ）において、図１と対応する部分には同一の符号を付し、その部分についての詳しい説明は略する。図２（ａ）で示す実施の形態２においては、モータジェネレータ４のＵ，Ｖ，Ｗ相コイルＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３の各一端側間が接点４ａ，４ｂ，４ｃを介して接続されると共に、Ｕ，Ｖ，Ｗ相コイルＣＬ１，ＣＬ２の一端側間にコンデンサＣ３、プラグ／コンセント装置６を設けると共に二次電池充電用電源装置７が接続されている。充電用電源装置７は交流電源Ｐ２、を含む。なお、モータジェネレータ４のＵ，Ｖ，Ｗ相コイルＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３の各一端側の中性点の接続、分離は上記接点４ａ，４ｂ，４ｃの形態には限定されない。

そして、接点４ａ，４ｂ，４ｃがオンしかつプラグ／コンセント装置が接続されていないときはモータジェネレータ４のＵ，Ｖ，Ｗ相コイルＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３の各一端同士が接続されて中性点を形成し、また、接点４ａ，４ｂ，４ｃがオフしプラグ／コンセント装置６が接続されているときは充電用電源装置７内の交流電源Ｐ２の電力が二次電池１に充電される。

なお、二次電池に充電するモードのときはモータジェネレータ４のコイルＣＬ１，ＣＬ２は上記リアクトルＬ２，Ｌ３と同様の機能を有する。

なお、モータジェネレータ４のＵ，Ｖ，Ｗ相コイルＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３は、スター（Ｙ）結線されているが、図２（ｂ）のモータジェネレータ４Ａで示すように、デルタ（Δ）結線でもよい。

（実施の形態３）
図３を参照して実施の形態３の充電システムを説明する。図３において、図１と対応する部分には同一の符号を付し、その部分についての詳しい説明は略する。図３で示す実施の形態３においては、モード切替操作部８と、絶縁トランス９と、充電用電源装置１０とを備える。モード切替操作部８は、可動接点８ａ１，固定接点８ａ２，８ａ３からなるＵ相切替操作部と、可動接点８ｂ１、固定接点８ｂ２，８ｂ３からなるＶ相切替操作部とを含む。Ｕ相切替操作部の可動接点８ａ１はＵ相アーム２ｂ１に、Ｖ相切替操作部の可動接点８ｂ１はＶ相アーム２ｂ２に接続され、Ｕ相切替操作部の固定接点８ａ２はモータジェネレータ４のＵ相コイルＣＬ１の相端に、Ｖ相切替操作部の固定接点８ｂ２はモータジェネレータ４のＶ相コイルＣＬ２の相端に接続され、Ｕ相切替操作部の固定接点８ａ３は絶縁トランス９の二次側コイルＳＬの一端側に、Ｖ相切替操作部の固定接点８ｂ３は同二次側コイルＳＬの他端側に接続されている。絶縁トランス９は、一次側コイルＰＬと、二次側コイルＳＬとを含み、一次側コイルＰＬは充電用電源装置１０内の交流電源Ｐ３の電力が印加されて電磁界Ｈが発生すると共に、その電磁界Ｈは二次側コイルＳＬに誘起されることで、一次側コイルＰＬと二次側コイルＳＬとが電磁結合する。そして、この電磁結合により交流電源Ｐ３の電力が双方向性電力変換器２を介して二次電池１に充電される。

絶縁トランス９は、二次電池１、双方向性電力変換器２側と、充電用電源装置１０側との電気絶縁をとることで、安全を図っている。

なお、絶縁トランス９が商用周波数で動作する場合は、その重量は重いので、モード切替操作部８と絶縁トランス９との間にプラグ／コンセント装置１１を設けることで、電動車両側の軽量化を可能としている。

なお、絶縁トランス９という意味ではなく、非接触給電装置９とし、一次側コイルＰＬを二次側コイルＳＬに近接させることで、これら両コイルＰＬ，ＳＬを介して充電用電源装置１０の電力を二次電池１に給電して充電させることができるようにしてもよく、この場合も本実施の形態に含む。この場合は、プラグ／コンセント装置１１を設けずに、二次側コイルＳＬを含め、それより前段側を電動車両等の移動体側とし、一次側コイルＰＬと充電用電源装置１０とをユーザー側としてもよい。

１ 二次電池
２ 双方向性電力変換器
３ モード切替操作部
４ モータジェネレータ
５ 充電用電源装置

Claims (4)

1. 二次電池と、二次電池に接続された双方向性電力変換器と、双方向性電力変換器に接続されたモータやジェネレータ等の負荷と、を備えた移動体搭載二次電池充電システムであって、
   上記双方向性電力変換器を上記負荷から切り離して二次電池充電用電源に接続操作することが可能でこの操作により上記二次電池充電用電源の電力を上記双方向性電力変換器を介して二次電池に充電させることが可能なモード切替操作部を備えた、ことを特徴とする移動体搭載二次電池充電システム。
2. 二次電池と、二次電池に接続された双方向性電力変換器と、双方向性電力変換器に接続されたモータやジェネレータ等の負荷と、を備えた移動体搭載二次電池充電システムであって、
   上記負荷が、複数コイルがスター結線された負荷またはデルタ結線された負荷であり、これら複数コイルを互いに接続状態と非接続状態とに切り替えると共に上記非接続状態において複数コイルを二次電池充電用の交流電源に接続するモード切替操作部を設けた、ことを特徴とする移動体搭載二次電池充電システム。
3. 二次電池と、上記二次電池に接続された双方向性電力変換器と、上記双方向性電力変換器に接続されたモータやジェネレータ等の負荷と、を備えた移動体搭載二次電池充電システムであって、
   上記双方向性電力変換器と、
   二次電池充電用電源に接続された、絶縁トランスまたは非接触給電装置の一方と、
   上記双方向性電力変換器を上記絶縁トランスまたは非接触給電装置の一方か負荷かにその接続を切り替え操作するモード切替操作部と、
   を具備し、
   上記モード切替操作部により絶縁トランスまたは非接触給電装置の一方側に切り替えたときは、絶縁トランスまたは非接触給電装置の一方、モード切替操作部および双方向性電力変換器を介して二次電池充電用電源の電力を二次電池に充電可能とした、ことを特徴とする移動体搭載二次電池充電システム。
4. 上記請求項１ないし３いずれかに記載のシステムを実装した電動車両等の移動体。

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