電源装置
【課題】高容量かつ高出力で寿命の長い電源装置を提供する。
【解決手段】電源装置１００において、モータジェネレータ１１に電力を供給する第１の二次電池１３と、第１の二次電池１３と並列に接続され、モータジェネレータ１１に電力を供給する第２の二次電池１４と、第１の二次電池１３と第２の二次電池１４との間に接続され、モータジェネレータ１１の要求電力に応じて第２の二次電池１４からモータジェネレータ１１に供給する電力を変化させる昇圧コンバータ２０と、を備える。
【解決手段】電源装置１００において、モータジェネレータ１１に電力を供給する第１の二次電池１３と、第１の二次電池１３と並列に接続され、モータジェネレータ１１に電力を供給する第２の二次電池１４と、第１の二次電池１３と第２の二次電池１４との間に接続され、モータジェネレータ１１の要求電力に応じて第２の二次電池１４からモータジェネレータ１１に供給する電力を変化させる昇圧コンバータ２０と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境対策の面からリチウムイオン二次電池等の充放電可能な電池によってモータを駆動して走行する電気自動車が多く開発されている。リチウムイオン二次電池は、アルミニウム箔の両面にコバルト酸リチウムなどの活物質を溶剤で溶いて塗布した正極電極と、銅箔に正極同様炭素材料などを溶媒で溶いて塗布した負極電極とが用いられることが多い。リチウムイオン二次電池は、活物質の粒径、比表面積などによって容量密度と出力密度の特性が決まってくる。例えば、粒径が大きく、比表面積が低い活物質を用いた場合には、寿命が長く、容量密度が高い高容量電池（高容量密度型電池）となるが出力密度が低下してしまい、逆に、粒径が小さく、比表面積が高いい活物質を用いた場合には、出力密度が高い高出力電池（高出力密度型電池）となるが、寿命が短く容量密度が低下してしまう傾向が高い。電気自動車には長い航続距離とともに高い加減速性能が求められていることから、電気自動車に搭載される二次電池には高容量かつ高出力化が求められている。また、電気自動車の耐久性を高める必要から二次電池の長寿命化が求められている。
【０００３】
しかし、高容量電池と高出力電池とはその特性が背反することからこれらの２つの要求を一種類の電池で実現することは困難である。そこで、同じ電圧の高容量電池と高出力電池とを、並列に接続した電池構成とし、高容量かつ高出力の電源とすることが提案されている。
【０００４】
この電池構成は、モータへの放電の際に高出力電池が先に放電し、それによって生じる高容量電池との間の電位差によって、高容量電池から高出力電池に充電されていくことによって二次電池全体として高容量、高出力の特性を出すことができる。しかし、モータへの放電によって高出力電池の残存容量（ＳＯＣ）が著しく低下した場合、高容量電池から高出力電池への電流の供給が追いつかず、高出力電池の出力が低下してしまうという問題があった。このため、並列に接続した高出力電池と高容量電池との間に昇圧コンバータを配置し、高出力電池の残存容量（ＳＯＣ）あるいは出力電圧が著しく低下した場合には高容量電池の電圧を昇圧コンバータによって昇圧して高出力電池を充電し、高出力電池の残存容量（ＳＯＣ）又は出力電圧を回復させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１２１８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載された従来技術の電池構成は、基本的には同電圧の高容量電池と高出力電池とを並列に接続したものであることから、モータからの出力要求があった場合には、まず高出力電池からモータに放電され、高容量電池から高出力電池への充電が追い付かず、高出力電池の出力あるいは残存容量（ＳＯＣ）が著しく低下してきたら、昇圧コンバータによって高容量電池の電圧を昇圧して高出力電池に充電するものである。このため、電動車両の走行中には高出力電池の残存容量（ＳＯＣ）が低くなる状態となりやすく、電池の特性上、寿命が短い高出力電池の寿命がより短くなってしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、高容量かつ高出力で寿命の長い電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の電源装置は、負荷に電力を供給する第１の蓄電装置と、前記第１の蓄電装置と並列に接続され、前記負荷に電力を供給する第２の蓄電装置と、前記第１の蓄電装置と前記第２の蓄電装置との間に接続され、前記負荷の要求電力に応じて前記第２の蓄電装置から負荷に供給する電力を変化させる供給電力変化手段と、を備えることを特徴とする。また、本発明の電源装置において、前記電源装置は車両に搭載される車両用電源装置であり、前記負荷は車両に搭載される電動機であること、としても好適である。
【０００９】
本発明の電源装置において、前記第１、第２の蓄電装置は充放電可能な二次電池であり、前記第１の蓄電装置の電圧は前記第２の電源装置の電圧よりも高く、前記第１の蓄電装置は単位電極面積当たりの容量が前記第２の蓄電装置よりも大きく、前記第２の蓄電装置は単位電極面積当たりの出力電力が前記第１の蓄電装置よりも大きいこと、としても好適であるし、前記第１の蓄電装置は充放電可能な二次電池であり、前記第２の蓄電装置はキャパシタとしても好適である。
【００１０】
本発明の電源装置において、供給電力変化手段は、スイッチング素子を含む昇圧コンバータであり、運転者のアクセル踏みこみ量が所定量以下の場合には、スイッチング素子をオフとし、運転者のアクセルの踏みこみ量が所定量を超える場合には、前記負荷の要求電力に応じて前記第２の蓄電装置から負荷に供給する電力にかかわらずスイッチング素子をスイッチング動作させること、としても好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、高容量かつ高出力で寿命の長い電源装置を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態における電源装置の構成を示す系統図である。
【図２】本発明の実施形態における電源装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態における電源装置の第２の二次電池の充電動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態における電源装置に用いられる昇圧コンバータのスイッチング素子の動作を示す説明図である。
【図５】本発明の実施形態における電源装置の第１の二次電池の電圧電流特性を示すグラフである。
【図６】本発明の他の実施形態における電源装置の構成を示す系統図である。
【図７】本発明の他の実施形態における電源装置の動作を示すフローチャートである。
【図８】本発明の他の実施形態における電源装置のキャパシタの充電動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の他の実施形態における電源装置に用いられるキャパシタの初期充電動作を示す説明図である。
【図１０】本発明の他の実施形態における電源装置に用いられるキャパシタの停止時放電動作を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態の電源装置について説明する。図１に示すように、電動車両に搭載される本実施形態の電源装置１００は、第１の蓄電装置である充放電可能な第１の二次電池１３と、第１の二次電池１３と昇圧コンバータ２０を介して並列に接続されている充放電可能な第２の蓄電装置である第２の二次電池１４と、第１、第２の二次電池１３，１４から供給される直流電力を三相交流電力に変換して負荷である車両駆動用のモータジェネレータ１１に供給するインバータ１２と、昇圧コンバータ２０のスイッチング素子２１、２３をオンオフさせて第２の二次電池１４からインバータ１２を介してモータジェネレータ１１に供給する電力を変化させる制御部５０と、を含んでいる。
【００１４】
第１、第２の二次電池１３，１４は単セルまたは複数のセルが直列に接続されたもので、第１の二次電池１３の直列に接続されているセルの数は第２の二次電池の直列に接続されているセルの数よりも多く、第１の二次電池１３の電圧は第２の二次電池１４の電圧よりも高くなっている。例えば、第１の二次電池１３の電圧は６５０Ｖ程度で第２の二次電池１４の電圧は２００或いは３００Ｖ程度である。また、第１の二次電池１３の満充電容量は第２の二次電池１４の満充電容量よりも大きい。第１の二次電池１３は単位電極面積当たりの容量が大きい高容量密度型の二次電池であり、第２の二次電池１４は単位電極面積当たりの出力電力が大きい高出力型の二次電池であり、前記第１の二次電池１３の単位電極面積当たりの容量は第２の二次電池１４の単位電極面積当たりの容量よりも大きく、第２の二次電池１４の単位電極面積当たりの出力電力は第１の二次電池１４の単位電極面積当たりの出力電力よりも大きい。
【００１５】
第１、第２の二次電池１３，１４はリチウムイオン二次電池で構成してもよい。この場合、第１の二次電池１３は大粒径で比表面積の低い活物質を用いた高容量密度で長寿命型の大容量電池であり、第２の二次電池１４は小粒径で比表面積の高い活物質を用いた高出力型の小容量電池としてもよい。また、第１の二次電池１３をニッケル水素電池とし、第２の二次電池を上記のようなリチウムイオン二次電池として構成してもよい。第１の二次電池１３には、外部電源に接続して第１の二次電池１３を充電するためのプラグ１５が取り付けられている。また、第２の二次電池１４にはＤＣ／ＤＣコンバータ１６を介して電動車両のエアコン等の補機１７が接続されている。
【００１６】
昇圧コンバータ２０は、上アームスイッチング素子２１と、上アームスイッチング素子２１と逆並列に接続された上アームダイオード２２と、上アームスイッチング素子２１と直列に接続された下アームスイッチング素子２３と、下アームスイッチング素子２３と逆並列に接続された下アームダイオード２４と、上アームスイッチング素子２１と下アームスイッチング素子２３との間に接続された低圧電路３５と、低圧電路３５の中に設けられたリアクトル２５と、上アームスイッチング素子２１の低圧電路３５と反対側に接続される高圧電路３４と、下アームスイッチング素子２３の低圧電路３５と反対側に接続される基準電路３３とを含んでいる。昇圧コンバータ２０は低圧側端子２６，２７、高圧側端子２８，２９を備えている。低圧側端子２６と高圧側端子２８はいずれも基準電路３３に接続され、低圧側端子２６は低圧電路３５に接続され、高圧側端子２９は高圧電路３４に接続されている。昇圧コンバータ２０の低圧側端子２６，２７には第２の二次電池１４が接続され、昇圧コンバータ２０の高圧側端子２８，２９はそれぞれ第１の二次電池のプラス側出力線３１とマイナス側出力線３２とに接続されている。
【００１７】
第１の二次電池１３の出力側には第１の二次電池１３の出力電圧を検出する電圧センサ４１が設けられ、第１の二次電池１３のプラス側出力線３１には第１の二次電池１３からの出力電流を検出する電流センサ４２が設けられている。また、第２の二次電池１４の出力側には、第２の二次電池１４の出力電圧を検出する電圧センサ４４が設けられ、第２の二次電池１４のプラス側である低圧電路３５には第２の二次電池１４からの出力電流を検出する電流センサ４５が設けられている。第１、第２の二次電池１３，１４にはそれぞれの温度を検出する温度センサ４３，４６が設けられている。また、電動車両の運転席に設けられているアクセルにはその踏み込み量を検出するアクセル位置センサ１８が取り付けられている。
【００１８】
インバータ１２、昇圧コンバータ２０の各スイッチング素子２１，２３は制御部５０に接続され、制御部５０の指令によって動作するよう構成されている。また、モータジェネレータ１１、各電圧センサ４１，４４、各電流センサ４２，４５、温度センサ４３，４６、アクセル位置センサ１８はそれぞれ制御部５０に接続され、制御部５０にはモータジェネレータ１１、各二次電池１３，１４の状態、アクセル開度信号が入力されるよう構成されている。制御部５０は、内部に信号処理を行うＣＰＵと、制御プログラムやデータを格納する記憶部とを含むコンピュータである。
【００１９】
図２から図５を参照しながら電源装置１００の動作について説明する。通常、電動車両は第１の二次電池１３を使用して走行している。図２のステップＳ１０１に示すように、制御部５０は、第１、第２の二次電池１３，１４の状態量を取得する。具体的には、制御部５０は、各電圧センサ４１，４４、各電流センサ４２，４５、各温度センサ４３，４６から各二次電池１３，１４の出力電圧、出力電流、温度を取得する。そして、制御部５０は、図２のステップＳ１０２，Ｓ１０３に示すように、これらの状態量に基づいて各二次電池１３，１４の各残存容量（ＳＯＣ1，ＳＯＣ2）、各放電可能電力（ＷＯＵＴ1，ＷＯＵＴ2）、各充電可能電力（Ｗｉｎ1，Ｗｉｎ2）を計算する。例えば、制御部５０は、二次電池１３，１４ごとに出力電流を積分しておき、その各積分値を用いて各残存容量（ＳＯＣ1，ＳＯＣ2）を算出するようにしてもよいし、各二次電池１３，１４の各出力電圧と各出力電流との各特性カーブを用いて各残存容量（ＳＯＣ1，ＳＯＣ2）を計算するようにしてもよい。各二次電池１３，１４の各放電可能電力（ＷＯＵＴ1，ＷＯＵＴ2）、各充電可能電力（Ｗｉｎ1，Ｗｉｎ2）は、各二次電池１３，１４の温度が低い場合には小さくなり、温度が高くなってくると大きくなる。また、各二次電池１３，１４の各充電可能電力（Ｗｉｎ1，Ｗｉｎ2）は各二次電池１３，１４の各残存容量（ＳＯＣ1，ＳＯＣ2）が大きい場合に小さくなり、各二次電池１３，１４の各放電可能電力（ＷＯＵＴ1，ＷＯＵＴ2）は各残存容量（ＳＯＣ1，ＳＯＣ2）が大きい場合に大きくなる性質を持っているので、制御部５０はこの特性に基づいて各二次電池１３，１４の各放電可能電力（ＷＯＵＴ1，ＷＯＵＴ2）、各充電可能電力（Ｗｉｎ1，Ｗｉｎ2）を計算するようにしてもよい。なお、各電力は各二次電池１３，１４からの放電をプラス、充電をマイナスとするので各放電可能電力（ＷＯＵＴ1，ＷＯＵＴ2）はプラスとなり、各充電可能電力（Ｗｉｎ1，Ｗｉｎ2）はマイナスとなる。
【００２０】
制御部５０は、図２のステップＳ１０４に示すように、アクセル位置センサ１８から運転者のアクセルの踏み込み量を取得する。そして、制御部５０は、図２のステップＳ１０５に示すように、運転者のアクセルの踏み込み量が所定の量を超えている場合には、制御部５０は、すぐに大きな要求出力電力指令が来ると判断し、図２のステップＳ１０６に示すように昇圧コンバータ２０を待機状態とする。これは、図４に示すように、それまでＯＦＦ状態であった昇圧コンバータ２０の各スイッチング素子２１，２３を小さなデューティ比でオンオフさせ、昇圧コンバータ２０の出力電圧を第１の二次電池の出力電圧に略等しい状態に保つ動作である。この状態では、昇圧コンバータ２０から第１の二次電池１３の各出力線３１，３２にはまだ電力は出力されておらず、電動車両は第１の二次電池１３からの電気出力のみで駆動されている。
【００２１】
図２のステップＳ１０７に示すように、制御部５０は、電源装置１００に対する要求入出力電力Ｐreqを計算する。これは、電動車両の速度、加速度、アクセル踏み込み量に基づく加速要求、或いはブレーキの踏み込み量に基づく減速要求などによって計算する。要求入出力電力Ｐreqは各二次電池１３，１４を放電させる要求がプラス、各二次電池１３，１４へ充電する要求がマイナスである。図２のステップＳ１０８に示すように、制御部５０は、計算した要求入出力電力Ｐreqと第１の二次電池１３の放電可能電力ＷＯＵＴ1、または充電可能電力ＷＩＮ1を比較する。そして、要求入出力電力Ｐreqが放電可能電力ＷＯＵＴ1よりも大きい場合、または充電可能電力ＷＩＮ1が要求入出力電力Ｐreqよりも大きい場合には、制御部５０は第１の二次電池１３のみでは要求入出力電力Ｐreqを満足できないと判断し、図２のステップＳ１０９に示すように、昇圧コンバータ２０を動作させて第２の二次電池１４から第１の二次電池１３の各出力線３１，３２への電力の入出力を開始させる。制御部５０は、図４の時間ｔ1以降に示すように、昇圧コンバータ２０の各スイッチング素子２１，２３のオンオフ動作を行い、第２の二次電池１４の電圧を昇圧して第１の二次電池１３の各出力線３１，３２に電力の出力を開始する。各スイッチング素子２１，２３のオンオフのデューティ比は、第２の二次電池１４から出力させる電力によって変化させる。
【００２２】
この出力電力の変化は、例えば次のように昇圧コンバータ２０の出力電圧を変化させることにより行う。第１の二次電池１３は、図５に示すように、出力電流が大きくなると、出力電圧が小さくなるような電圧電流特性を持っている。今、第１の二次電池１３からの出力電流が図５に示すＡ1で、電圧はＶ1で電力Ｗ1（Ｗ1＝Ｖ1×Ａ1）をインバータ１２に出力しているとする。この状態で、運転者によってアクセルが踏み込まれ、要求入出力電力Ｐreqが増加すると、第１の二次電池１３からの出力電流はＡ1からＡ2に増加するが、第１の二次電池１３の出力電圧はＶ1からＶ2に少しだけ低下し、第１の二次電池１３の出力は電力Ｗ2（Ｗ2＝Ｖ2×Ａ2＝Ｗ1＋Ｐreq）となる。そこで、昇圧コンバータ２０の各スイッチング素子２１，２３のオンオフのデューティ比を昇圧コンバータ２０の出力電圧が第１の二次電池１３の最初の出力電圧Ｖ1に保たれるように制御する。すると、第１の二次電池１３は電力Ｗ1を出力し、昇圧コンバータ２０を介してＷ2−Ｗ1＝Ｐreqの電力が第２の二次電池１４から第１の二次電池１３の各出力線３１，３２に出力され、第１の二次電池１３の出力電圧は当初のＶ1に保持される。つまり、第１の二次電池１３の出力電圧を当初の出力電圧Ｖ1に保持するように昇圧コンバータ２０の各スイッチング素子２１，２３のオンオフのデューティ比を制御することにより、第２の二次電池１４からインバータ１２にＷ2−Ｗ1＝Ｐreqの電力を供給することができる。
【００２３】
モータジェネレータ１１からの回生電力が大きくなり、第１の二次電池１３のＷＩＮ1の絶対値よりも大きくなるような場合も、上記と同様、昇圧コンバータ２０の各スイッチング素子２１，２３を動作させて第１の二次電池１３の各出力線３１，３２の電圧を一定に保つようにして、要求入出力電力Ｐreqの増加分を第２の二次電池１４に充電することができる。
【００２４】
上記のように昇圧コンバータ２０の各スイッチング素子２１，２３のオンオフのデューティ比を変化させて第２の二次電池１４からインバータ１２に供給する電力を制御する方法は、一つの例であって、第２の二次電池１４からインバータ１２に供給する電力を設定し、その設定した電力を出力できるように昇圧コンバータ２０の各スイッチング素子２１，２３のオンオフのデューティ比を変化させるようにしてもよい。
【００２５】
制御部５０は、要求入出力電力Ｐreqが放電可能電力ＷＯＵＴ1よりも小さく、充電可能電力ＷＩＮ1が要求入出力電力Ｐreqよりも小さくなるまで、上記のように第２の二次電池１４に電力を入出力する。そして、要求入出力電力Ｐreqが放電可能電力ＷＯＵＴ1よりも小さく、充電可能電力ＷＩＮ1が要求入出力電力Ｐreqよりも小さくなると、第１の二次電池１３のみで電動車両を駆動することができると判断し、図２のステップＳ１１０に示すように、第２の二次電池１４からの電力供給あるいは第２の二次電池１４への充電を停止する。
【００２６】
第２の二次電池１４は第１の二次電池１３よりも満充電容量が小さい小容量の電池であるので、高出力で放電させた場合、残存容量（ＳＯＣ2）が低下してしまう場合がある。一般的に充放電可能な二次電池は、残存容量が大きく低下すると寿命が短くなってしまうことから、第２の二次電池１４の残存容量（ＳＯＣ2）が所定の容量よりも低下している場合には、図２のステップＳ１１１に示すように、第２の二次電池の充電を行い、第２の二次電池１４の残存容量（ＳＯＣ2）が制御中心容量近傍となるようにし、寿命の消費を抑制する。
【００２７】
以下、図３を参照しながら第２の二次電池１４の充電動作について説明する。図３のステップＳ２０１に示すように、制御部５０は、第２の二次電池１４の温度センサ４６、電圧センサ４４、電流センサ４５によって第２の二次電池１４の状態量を取得し、先に図２を参照して説明したのと同様、図３のステップＳ２０２に示すように第２の二次電池１４の残存容量（ＳＯＣ2）を計算する。そして、図３のステップＳ２０３に示すように、制御部５０は計算した第２の二次電池１４の残存容量（ＳＯＣ2）と所定の閾値との比較を行い、第２の二次電池１４の残存容量（ＳＯＣ2）が所定の閾値よりも少なくなっている場合には、図３のステップＳ２０４に示すように、電動車両の走行状態などから電源装置１００に対する要求入出力電力Ｐreqを計算する。そして、図３のステップＳ２０５に示すように、第２の二次電池１４への充電電力Ｐchaと要求入出力電力Ｐreqの合計と第１の二次電池１３の放電可能電力ＷＯＵＴ1とを比較する。
【００２８】
そして、第２の二次電池１４への充電電力Ｐchaと要求入出力電力Ｐreqの合計が第１の二次電池１３の放電可能電力ＷＯＵＴ1よりも小さい場合には、制御部５０は、電動車両の駆動と第２の二次電池１４への充電電力を第１の二次電池１３からの放電によって行うことができると判断し、図３のステップＳ２０６に示すように、第２の二次電池１４の充電電力を当初設定した充電電力Ｐchaとし、図３のステップＳ２０８に示すように、当初設定した充電電力Ｐchaで第２の二次電池１４を充電する。また、第２の二次電池１４への充電電力Ｐchaと要求入出力電力Ｐreqの合計が第１の二次電池１３の放電可能電力ＷＯＵＴ1よりも大きい場合には、制御部５０は、当初設定した充電電力Ｐchaで第２の二次電池１４を充電することができないと判断し、図３のステップＳ２０７に示すように、第２の二次電池１４の充電電力Ｐchaを要求入出力電力Ｐreqから第１の二次電池１３の放電可能電力ＷＯＵＴ1を差し引いたものに再設定する（Ｐcha＝Ｐreq−ＷＯＵＴ1）。そして、図３のステップＳ２０８に示すように、再設定した充電電力Ｐchaで第２の二次電池１４を充電する。
【００２９】
制御部５０は、図３のステップＳ２０９に示すように、電圧センサ４４、電流センサ４５の信号から第２の二次電池１４への充電電力量を計算し、第２の二次電池１４の残存容量（ＳＯＣ2）を計算し、第２の二次電池１４の残存容量（ＳＯＣ2）が、例えば、残存容量（ＳＯＣ2）の制御中心容量近傍の所定の残存容量となったかどうかを判断する。そして、第２の二次電池１４の残存容量（ＳＯＣ2）が所定の残存容量となったら図３のステップＳ２１０に示すように第２の二次電池１４への充電を停止する。
【００３０】
以上説明した実施形態は、大容量、高電圧で高容量密度型の第１の二次電池１３と小容量、低電圧で高出力型の第２の二次電池１４とを組み合わせ、電動車両の通常駆動は第１の二次電池１３を用いて行い、大きな加速、減速の際など、第１の二次電池１３の放電可能電力ＷＯＵＴ1以上の電力が要求される際には第２の二次電池１４の電圧を昇圧コンバータ２０によって昇圧して第１の二次電池１３からの出力と合わせてインバータ１２を介してモータジェネレータ１１に供給し、第２の二次電池１４を放電させた後に第２の二次電池１４の残存容量（ＳＯＣ2）を制御中心近傍になるように充電するので、電源装置１００を高容量かつ高出力で寿命の長いものとすることができる。また、低圧の第２の二次電池１４の方が第１の二次電池１３よりも先に劣化が進んでくるが、第２の二次電池１４は小容量でその大きさが小さいことから容易に交換することができる上、交換費用も少なく、車両寿命に対するメンテナンス費用を低減することができる。また、本実施形態では、通常の駆動に用いられる第１の二次電池１３の電圧を６５０Ｖ程度の高い電圧とすることにより、モータジェネレータ１１からの逆起電力に容易に対応することができる。更に、２００Ｖ或いは３００Ｖの低圧の第２の二次電池１４から電動車両の補機に給電することから、ハイブリッド車両など従来の車両と補機を共通にすることができ、コストの低減を図ることができる。
【００３１】
図６を参照しながら本発明の他の実施形態について説明する。先に図１から図５を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図６に示すように、本実施形態は、図１を参照して説明した実施形態の第２の二次電池１４を同様の電圧で同様の容量を持つキャパシタ６１としたものである。それ以外の部分は、図１を参照して説明した実施形態の電源装置１００と同様である。また、図７及び図８に示すように、本実施形態の動作及びキャパシタ６１を放電させた後の充電は、図１から５を参照して説明した実施形態と同様で、図２，３の第２の二次電池１４がキャパシタ６１に変更され、第２の二次電池１４の残存容量（ＳＯＣ2）、放電可能電力ＷＯＵＴ2、充電可能電力ＷＩＮ2がそれぞれキャパシタ６１の残存容量（ＳＯＣ3）、放電可能電力ＷＯＵＴ3、充電可能電力ＷＩＮ3に変更されただけであるので、説明は省略する。
【００３２】
図９と図１０を参照しながら、電動車両の起動停止の際のキャパシタ６１への充電、放電動作について説明する。キャパシタ６１は長時間充電状態にあると劣化が進行してしまう場合がある。そこで、本実施形態では、電動車両が停止している際には、キャパシタ６１の電荷を第１の二次電池１３に移動させてキャパシタ６１の電荷を抜き、電動車両が始動された際には第１の二次電池１３によってキャパシタ６１を充電するようにしている。図９に示すように、本実施形態では、運転者によって図６に示すイグニッションキー６２が操作され、キーの位置がＲｅａｄｙ−ＯＮの位置となったら、制御部５０は、Ｒｅａｄｙ−ＯＮ要求があったものと判断してキャパシタ６１を充電する指令を出力する。ただし、この時点では、まだ車両を起動させない。この指令によって図６に示す昇圧コンバータ２０の各スイッチング素子２１，２３がオンオフ動作を開始して第１の二次電池１３からキャパシタ６１への充電を開始する。キャパシタ６１の充電を開始するとキャパシタ６１の残存容量（ＳＯＣ3）は次第に上昇し、第１の二次電池１３の残存容量（ＳＯＣ1）は低下していていく。ただし、第１の二次電池１３の満充電容量はキャパシタ６１の満充電容量よりも大きいので第１の二次電池１３の残存容量（ＳＯＣ1）の低下はわずかである。そして、キャパシタ６１の残存容量（ＳＯＣ3）が制御中心容量近傍となったら制御部５０は昇圧コンバータ２０の各スイッチング素子２１，２３をオフとして第１の二次電池１３とキャパシタ６１とを切り離し、キャパシタ６１の充電を終了する。キャパシタ６１の充電が終了したら、制御部５０は車両を起動する準備が完了したと判断して、Ｒｅａｄｙ−ＯＮフラグを立てて車両を起動させる。
【００３３】
そして、運転者が電動車両を停止させた後、イグニッションキー６２の位置をＲｅａｄｙ−ＯＦＦの位置とすると、制御部５０は、Ｒｅａｄｙ−ＯＦＦ要求があったものと判断して上記と逆にキャパシタ６１の電圧を昇圧コンバータ２０によって第１の二次電池１３の充電電圧まで昇圧してキャパシタ６１の電荷を第１の二次電池１３に移動させて第１の二次電池１３を充電する。ただし、この時点では、まだ車両を停止させない。キャパシタ６１の残存容量（ＳＯＣ3）が所定の残存容量以下となったら、制御部５０は、昇圧コンバータ２０の動作を停止し、第１の二次電池１３とキャパシタ６１とを切り離す。キャパシタ６１からの電荷の移動が終了したら、制御部５０は車両を停止する準備が完了したと判断して、Ｒｅａｄｙ−ＯＦＦフラグを立てて車両を停止させる。
【００３４】
本実施形態では、このように、電動車両が停止している際には、キャパシタ６１の電荷を第１の二次電池１３に移動させてキャパシタ６１の電荷を抜き、電動車両が始動された際には第１の二次電池１３によってキャパシタ６１を充電するようにして、必要な時間だけキャパシタ６１が充電されているようにすることによって、キャパシタ６１の劣化を抑制することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１１ モータジェネレータ、１２ インバータ、１３ 第１の二次電池、１４ 第２の二次電池、１５ プラグ、１６ ＤＣ／ＤＣコンバータ、１７ 補機、１８ アクセル位置センサ、２０ 昇圧コンバータ、２１ 上アームスイッチング素子、２２ 上アームダイオード、２３ 下アームスイッチング素子、２４ 下アームダイオード、２５ リアクトル、２６，２７ 低圧側端子、２８，２９ 高圧側端子、３１ プラス側出力線、３２ マイナス側出力線、３３ 基準電路、３４ 高圧電路、３５ 低圧電路、４１，４４ 電圧センサ、４２，４５ 電流センサ、４３，４６ 温度センサ、５０ 制御部、６１ キャパシタ、６２ イグニッションキー、１００ 電源装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境対策の面からリチウムイオン二次電池等の充放電可能な電池によってモータを駆動して走行する電気自動車が多く開発されている。リチウムイオン二次電池は、アルミニウム箔の両面にコバルト酸リチウムなどの活物質を溶剤で溶いて塗布した正極電極と、銅箔に正極同様炭素材料などを溶媒で溶いて塗布した負極電極とが用いられることが多い。リチウムイオン二次電池は、活物質の粒径、比表面積などによって容量密度と出力密度の特性が決まってくる。例えば、粒径が大きく、比表面積が低い活物質を用いた場合には、寿命が長く、容量密度が高い高容量電池（高容量密度型電池）となるが出力密度が低下してしまい、逆に、粒径が小さく、比表面積が高いい活物質を用いた場合には、出力密度が高い高出力電池（高出力密度型電池）となるが、寿命が短く容量密度が低下してしまう傾向が高い。電気自動車には長い航続距離とともに高い加減速性能が求められていることから、電気自動車に搭載される二次電池には高容量かつ高出力化が求められている。また、電気自動車の耐久性を高める必要から二次電池の長寿命化が求められている。
【０００３】
しかし、高容量電池と高出力電池とはその特性が背反することからこれらの２つの要求を一種類の電池で実現することは困難である。そこで、同じ電圧の高容量電池と高出力電池とを、並列に接続した電池構成とし、高容量かつ高出力の電源とすることが提案されている。
【０００４】
この電池構成は、モータへの放電の際に高出力電池が先に放電し、それによって生じる高容量電池との間の電位差によって、高容量電池から高出力電池に充電されていくことによって二次電池全体として高容量、高出力の特性を出すことができる。しかし、モータへの放電によって高出力電池の残存容量（ＳＯＣ）が著しく低下した場合、高容量電池から高出力電池への電流の供給が追いつかず、高出力電池の出力が低下してしまうという問題があった。このため、並列に接続した高出力電池と高容量電池との間に昇圧コンバータを配置し、高出力電池の残存容量（ＳＯＣ）あるいは出力電圧が著しく低下した場合には高容量電池の電圧を昇圧コンバータによって昇圧して高出力電池を充電し、高出力電池の残存容量（ＳＯＣ）又は出力電圧を回復させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１２１８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載された従来技術の電池構成は、基本的には同電圧の高容量電池と高出力電池とを並列に接続したものであることから、モータからの出力要求があった場合には、まず高出力電池からモータに放電され、高容量電池から高出力電池への充電が追い付かず、高出力電池の出力あるいは残存容量（ＳＯＣ）が著しく低下してきたら、昇圧コンバータによって高容量電池の電圧を昇圧して高出力電池に充電するものである。このため、電動車両の走行中には高出力電池の残存容量（ＳＯＣ）が低くなる状態となりやすく、電池の特性上、寿命が短い高出力電池の寿命がより短くなってしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、高容量かつ高出力で寿命の長い電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の電源装置は、負荷に電力を供給する第１の蓄電装置と、前記第１の蓄電装置と並列に接続され、前記負荷に電力を供給する第２の蓄電装置と、前記第１の蓄電装置と前記第２の蓄電装置との間に接続され、前記負荷の要求電力に応じて前記第２の蓄電装置から負荷に供給する電力を変化させる供給電力変化手段と、を備えることを特徴とする。また、本発明の電源装置において、前記電源装置は車両に搭載される車両用電源装置であり、前記負荷は車両に搭載される電動機であること、としても好適である。
【０００９】
本発明の電源装置において、前記第１、第２の蓄電装置は充放電可能な二次電池であり、前記第１の蓄電装置の電圧は前記第２の電源装置の電圧よりも高く、前記第１の蓄電装置は単位電極面積当たりの容量が前記第２の蓄電装置よりも大きく、前記第２の蓄電装置は単位電極面積当たりの出力電力が前記第１の蓄電装置よりも大きいこと、としても好適であるし、前記第１の蓄電装置は充放電可能な二次電池であり、前記第２の蓄電装置はキャパシタとしても好適である。
【００１０】
本発明の電源装置において、供給電力変化手段は、スイッチング素子を含む昇圧コンバータであり、運転者のアクセル踏みこみ量が所定量以下の場合には、スイッチング素子をオフとし、運転者のアクセルの踏みこみ量が所定量を超える場合には、前記負荷の要求電力に応じて前記第２の蓄電装置から負荷に供給する電力にかかわらずスイッチング素子をスイッチング動作させること、としても好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、高容量かつ高出力で寿命の長い電源装置を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態における電源装置の構成を示す系統図である。
【図２】本発明の実施形態における電源装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態における電源装置の第２の二次電池の充電動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態における電源装置に用いられる昇圧コンバータのスイッチング素子の動作を示す説明図である。
【図５】本発明の実施形態における電源装置の第１の二次電池の電圧電流特性を示すグラフである。
【図６】本発明の他の実施形態における電源装置の構成を示す系統図である。
【図７】本発明の他の実施形態における電源装置の動作を示すフローチャートである。
【図８】本発明の他の実施形態における電源装置のキャパシタの充電動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の他の実施形態における電源装置に用いられるキャパシタの初期充電動作を示す説明図である。
【図１０】本発明の他の実施形態における電源装置に用いられるキャパシタの停止時放電動作を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態の電源装置について説明する。図１に示すように、電動車両に搭載される本実施形態の電源装置１００は、第１の蓄電装置である充放電可能な第１の二次電池１３と、第１の二次電池１３と昇圧コンバータ２０を介して並列に接続されている充放電可能な第２の蓄電装置である第２の二次電池１４と、第１、第２の二次電池１３，１４から供給される直流電力を三相交流電力に変換して負荷である車両駆動用のモータジェネレータ１１に供給するインバータ１２と、昇圧コンバータ２０のスイッチング素子２１、２３をオンオフさせて第２の二次電池１４からインバータ１２を介してモータジェネレータ１１に供給する電力を変化させる制御部５０と、を含んでいる。
【００１４】
第１、第２の二次電池１３，１４は単セルまたは複数のセルが直列に接続されたもので、第１の二次電池１３の直列に接続されているセルの数は第２の二次電池の直列に接続されているセルの数よりも多く、第１の二次電池１３の電圧は第２の二次電池１４の電圧よりも高くなっている。例えば、第１の二次電池１３の電圧は６５０Ｖ程度で第２の二次電池１４の電圧は２００或いは３００Ｖ程度である。また、第１の二次電池１３の満充電容量は第２の二次電池１４の満充電容量よりも大きい。第１の二次電池１３は単位電極面積当たりの容量が大きい高容量密度型の二次電池であり、第２の二次電池１４は単位電極面積当たりの出力電力が大きい高出力型の二次電池であり、前記第１の二次電池１３の単位電極面積当たりの容量は第２の二次電池１４の単位電極面積当たりの容量よりも大きく、第２の二次電池１４の単位電極面積当たりの出力電力は第１の二次電池１４の単位電極面積当たりの出力電力よりも大きい。
【００１５】
第１、第２の二次電池１３，１４はリチウムイオン二次電池で構成してもよい。この場合、第１の二次電池１３は大粒径で比表面積の低い活物質を用いた高容量密度で長寿命型の大容量電池であり、第２の二次電池１４は小粒径で比表面積の高い活物質を用いた高出力型の小容量電池としてもよい。また、第１の二次電池１３をニッケル水素電池とし、第２の二次電池を上記のようなリチウムイオン二次電池として構成してもよい。第１の二次電池１３には、外部電源に接続して第１の二次電池１３を充電するためのプラグ１５が取り付けられている。また、第２の二次電池１４にはＤＣ／ＤＣコンバータ１６を介して電動車両のエアコン等の補機１７が接続されている。
【００１６】
昇圧コンバータ２０は、上アームスイッチング素子２１と、上アームスイッチング素子２１と逆並列に接続された上アームダイオード２２と、上アームスイッチング素子２１と直列に接続された下アームスイッチング素子２３と、下アームスイッチング素子２３と逆並列に接続された下アームダイオード２４と、上アームスイッチング素子２１と下アームスイッチング素子２３との間に接続された低圧電路３５と、低圧電路３５の中に設けられたリアクトル２５と、上アームスイッチング素子２１の低圧電路３５と反対側に接続される高圧電路３４と、下アームスイッチング素子２３の低圧電路３５と反対側に接続される基準電路３３とを含んでいる。昇圧コンバータ２０は低圧側端子２６，２７、高圧側端子２８，２９を備えている。低圧側端子２６と高圧側端子２８はいずれも基準電路３３に接続され、低圧側端子２６は低圧電路３５に接続され、高圧側端子２９は高圧電路３４に接続されている。昇圧コンバータ２０の低圧側端子２６，２７には第２の二次電池１４が接続され、昇圧コンバータ２０の高圧側端子２８，２９はそれぞれ第１の二次電池のプラス側出力線３１とマイナス側出力線３２とに接続されている。
【００１７】
第１の二次電池１３の出力側には第１の二次電池１３の出力電圧を検出する電圧センサ４１が設けられ、第１の二次電池１３のプラス側出力線３１には第１の二次電池１３からの出力電流を検出する電流センサ４２が設けられている。また、第２の二次電池１４の出力側には、第２の二次電池１４の出力電圧を検出する電圧センサ４４が設けられ、第２の二次電池１４のプラス側である低圧電路３５には第２の二次電池１４からの出力電流を検出する電流センサ４５が設けられている。第１、第２の二次電池１３，１４にはそれぞれの温度を検出する温度センサ４３，４６が設けられている。また、電動車両の運転席に設けられているアクセルにはその踏み込み量を検出するアクセル位置センサ１８が取り付けられている。
【００１８】
インバータ１２、昇圧コンバータ２０の各スイッチング素子２１，２３は制御部５０に接続され、制御部５０の指令によって動作するよう構成されている。また、モータジェネレータ１１、各電圧センサ４１，４４、各電流センサ４２，４５、温度センサ４３，４６、アクセル位置センサ１８はそれぞれ制御部５０に接続され、制御部５０にはモータジェネレータ１１、各二次電池１３，１４の状態、アクセル開度信号が入力されるよう構成されている。制御部５０は、内部に信号処理を行うＣＰＵと、制御プログラムやデータを格納する記憶部とを含むコンピュータである。
【００１９】
図２から図５を参照しながら電源装置１００の動作について説明する。通常、電動車両は第１の二次電池１３を使用して走行している。図２のステップＳ１０１に示すように、制御部５０は、第１、第２の二次電池１３，１４の状態量を取得する。具体的には、制御部５０は、各電圧センサ４１，４４、各電流センサ４２，４５、各温度センサ４３，４６から各二次電池１３，１４の出力電圧、出力電流、温度を取得する。そして、制御部５０は、図２のステップＳ１０２，Ｓ１０３に示すように、これらの状態量に基づいて各二次電池１３，１４の各残存容量（ＳＯＣ1，ＳＯＣ2）、各放電可能電力（ＷＯＵＴ1，ＷＯＵＴ2）、各充電可能電力（Ｗｉｎ1，Ｗｉｎ2）を計算する。例えば、制御部５０は、二次電池１３，１４ごとに出力電流を積分しておき、その各積分値を用いて各残存容量（ＳＯＣ1，ＳＯＣ2）を算出するようにしてもよいし、各二次電池１３，１４の各出力電圧と各出力電流との各特性カーブを用いて各残存容量（ＳＯＣ1，ＳＯＣ2）を計算するようにしてもよい。各二次電池１３，１４の各放電可能電力（ＷＯＵＴ1，ＷＯＵＴ2）、各充電可能電力（Ｗｉｎ1，Ｗｉｎ2）は、各二次電池１３，１４の温度が低い場合には小さくなり、温度が高くなってくると大きくなる。また、各二次電池１３，１４の各充電可能電力（Ｗｉｎ1，Ｗｉｎ2）は各二次電池１３，１４の各残存容量（ＳＯＣ1，ＳＯＣ2）が大きい場合に小さくなり、各二次電池１３，１４の各放電可能電力（ＷＯＵＴ1，ＷＯＵＴ2）は各残存容量（ＳＯＣ1，ＳＯＣ2）が大きい場合に大きくなる性質を持っているので、制御部５０はこの特性に基づいて各二次電池１３，１４の各放電可能電力（ＷＯＵＴ1，ＷＯＵＴ2）、各充電可能電力（Ｗｉｎ1，Ｗｉｎ2）を計算するようにしてもよい。なお、各電力は各二次電池１３，１４からの放電をプラス、充電をマイナスとするので各放電可能電力（ＷＯＵＴ1，ＷＯＵＴ2）はプラスとなり、各充電可能電力（Ｗｉｎ1，Ｗｉｎ2）はマイナスとなる。
【００２０】
制御部５０は、図２のステップＳ１０４に示すように、アクセル位置センサ１８から運転者のアクセルの踏み込み量を取得する。そして、制御部５０は、図２のステップＳ１０５に示すように、運転者のアクセルの踏み込み量が所定の量を超えている場合には、制御部５０は、すぐに大きな要求出力電力指令が来ると判断し、図２のステップＳ１０６に示すように昇圧コンバータ２０を待機状態とする。これは、図４に示すように、それまでＯＦＦ状態であった昇圧コンバータ２０の各スイッチング素子２１，２３を小さなデューティ比でオンオフさせ、昇圧コンバータ２０の出力電圧を第１の二次電池の出力電圧に略等しい状態に保つ動作である。この状態では、昇圧コンバータ２０から第１の二次電池１３の各出力線３１，３２にはまだ電力は出力されておらず、電動車両は第１の二次電池１３からの電気出力のみで駆動されている。
【００２１】
図２のステップＳ１０７に示すように、制御部５０は、電源装置１００に対する要求入出力電力Ｐreqを計算する。これは、電動車両の速度、加速度、アクセル踏み込み量に基づく加速要求、或いはブレーキの踏み込み量に基づく減速要求などによって計算する。要求入出力電力Ｐreqは各二次電池１３，１４を放電させる要求がプラス、各二次電池１３，１４へ充電する要求がマイナスである。図２のステップＳ１０８に示すように、制御部５０は、計算した要求入出力電力Ｐreqと第１の二次電池１３の放電可能電力ＷＯＵＴ1、または充電可能電力ＷＩＮ1を比較する。そして、要求入出力電力Ｐreqが放電可能電力ＷＯＵＴ1よりも大きい場合、または充電可能電力ＷＩＮ1が要求入出力電力Ｐreqよりも大きい場合には、制御部５０は第１の二次電池１３のみでは要求入出力電力Ｐreqを満足できないと判断し、図２のステップＳ１０９に示すように、昇圧コンバータ２０を動作させて第２の二次電池１４から第１の二次電池１３の各出力線３１，３２への電力の入出力を開始させる。制御部５０は、図４の時間ｔ1以降に示すように、昇圧コンバータ２０の各スイッチング素子２１，２３のオンオフ動作を行い、第２の二次電池１４の電圧を昇圧して第１の二次電池１３の各出力線３１，３２に電力の出力を開始する。各スイッチング素子２１，２３のオンオフのデューティ比は、第２の二次電池１４から出力させる電力によって変化させる。
【００２２】
この出力電力の変化は、例えば次のように昇圧コンバータ２０の出力電圧を変化させることにより行う。第１の二次電池１３は、図５に示すように、出力電流が大きくなると、出力電圧が小さくなるような電圧電流特性を持っている。今、第１の二次電池１３からの出力電流が図５に示すＡ1で、電圧はＶ1で電力Ｗ1（Ｗ1＝Ｖ1×Ａ1）をインバータ１２に出力しているとする。この状態で、運転者によってアクセルが踏み込まれ、要求入出力電力Ｐreqが増加すると、第１の二次電池１３からの出力電流はＡ1からＡ2に増加するが、第１の二次電池１３の出力電圧はＶ1からＶ2に少しだけ低下し、第１の二次電池１３の出力は電力Ｗ2（Ｗ2＝Ｖ2×Ａ2＝Ｗ1＋Ｐreq）となる。そこで、昇圧コンバータ２０の各スイッチング素子２１，２３のオンオフのデューティ比を昇圧コンバータ２０の出力電圧が第１の二次電池１３の最初の出力電圧Ｖ1に保たれるように制御する。すると、第１の二次電池１３は電力Ｗ1を出力し、昇圧コンバータ２０を介してＷ2−Ｗ1＝Ｐreqの電力が第２の二次電池１４から第１の二次電池１３の各出力線３１，３２に出力され、第１の二次電池１３の出力電圧は当初のＶ1に保持される。つまり、第１の二次電池１３の出力電圧を当初の出力電圧Ｖ1に保持するように昇圧コンバータ２０の各スイッチング素子２１，２３のオンオフのデューティ比を制御することにより、第２の二次電池１４からインバータ１２にＷ2−Ｗ1＝Ｐreqの電力を供給することができる。
【００２３】
モータジェネレータ１１からの回生電力が大きくなり、第１の二次電池１３のＷＩＮ1の絶対値よりも大きくなるような場合も、上記と同様、昇圧コンバータ２０の各スイッチング素子２１，２３を動作させて第１の二次電池１３の各出力線３１，３２の電圧を一定に保つようにして、要求入出力電力Ｐreqの増加分を第２の二次電池１４に充電することができる。
【００２４】
上記のように昇圧コンバータ２０の各スイッチング素子２１，２３のオンオフのデューティ比を変化させて第２の二次電池１４からインバータ１２に供給する電力を制御する方法は、一つの例であって、第２の二次電池１４からインバータ１２に供給する電力を設定し、その設定した電力を出力できるように昇圧コンバータ２０の各スイッチング素子２１，２３のオンオフのデューティ比を変化させるようにしてもよい。
【００２５】
制御部５０は、要求入出力電力Ｐreqが放電可能電力ＷＯＵＴ1よりも小さく、充電可能電力ＷＩＮ1が要求入出力電力Ｐreqよりも小さくなるまで、上記のように第２の二次電池１４に電力を入出力する。そして、要求入出力電力Ｐreqが放電可能電力ＷＯＵＴ1よりも小さく、充電可能電力ＷＩＮ1が要求入出力電力Ｐreqよりも小さくなると、第１の二次電池１３のみで電動車両を駆動することができると判断し、図２のステップＳ１１０に示すように、第２の二次電池１４からの電力供給あるいは第２の二次電池１４への充電を停止する。
【００２６】
第２の二次電池１４は第１の二次電池１３よりも満充電容量が小さい小容量の電池であるので、高出力で放電させた場合、残存容量（ＳＯＣ2）が低下してしまう場合がある。一般的に充放電可能な二次電池は、残存容量が大きく低下すると寿命が短くなってしまうことから、第２の二次電池１４の残存容量（ＳＯＣ2）が所定の容量よりも低下している場合には、図２のステップＳ１１１に示すように、第２の二次電池の充電を行い、第２の二次電池１４の残存容量（ＳＯＣ2）が制御中心容量近傍となるようにし、寿命の消費を抑制する。
【００２７】
以下、図３を参照しながら第２の二次電池１４の充電動作について説明する。図３のステップＳ２０１に示すように、制御部５０は、第２の二次電池１４の温度センサ４６、電圧センサ４４、電流センサ４５によって第２の二次電池１４の状態量を取得し、先に図２を参照して説明したのと同様、図３のステップＳ２０２に示すように第２の二次電池１４の残存容量（ＳＯＣ2）を計算する。そして、図３のステップＳ２０３に示すように、制御部５０は計算した第２の二次電池１４の残存容量（ＳＯＣ2）と所定の閾値との比較を行い、第２の二次電池１４の残存容量（ＳＯＣ2）が所定の閾値よりも少なくなっている場合には、図３のステップＳ２０４に示すように、電動車両の走行状態などから電源装置１００に対する要求入出力電力Ｐreqを計算する。そして、図３のステップＳ２０５に示すように、第２の二次電池１４への充電電力Ｐchaと要求入出力電力Ｐreqの合計と第１の二次電池１３の放電可能電力ＷＯＵＴ1とを比較する。
【００２８】
そして、第２の二次電池１４への充電電力Ｐchaと要求入出力電力Ｐreqの合計が第１の二次電池１３の放電可能電力ＷＯＵＴ1よりも小さい場合には、制御部５０は、電動車両の駆動と第２の二次電池１４への充電電力を第１の二次電池１３からの放電によって行うことができると判断し、図３のステップＳ２０６に示すように、第２の二次電池１４の充電電力を当初設定した充電電力Ｐchaとし、図３のステップＳ２０８に示すように、当初設定した充電電力Ｐchaで第２の二次電池１４を充電する。また、第２の二次電池１４への充電電力Ｐchaと要求入出力電力Ｐreqの合計が第１の二次電池１３の放電可能電力ＷＯＵＴ1よりも大きい場合には、制御部５０は、当初設定した充電電力Ｐchaで第２の二次電池１４を充電することができないと判断し、図３のステップＳ２０７に示すように、第２の二次電池１４の充電電力Ｐchaを要求入出力電力Ｐreqから第１の二次電池１３の放電可能電力ＷＯＵＴ1を差し引いたものに再設定する（Ｐcha＝Ｐreq−ＷＯＵＴ1）。そして、図３のステップＳ２０８に示すように、再設定した充電電力Ｐchaで第２の二次電池１４を充電する。
【００２９】
制御部５０は、図３のステップＳ２０９に示すように、電圧センサ４４、電流センサ４５の信号から第２の二次電池１４への充電電力量を計算し、第２の二次電池１４の残存容量（ＳＯＣ2）を計算し、第２の二次電池１４の残存容量（ＳＯＣ2）が、例えば、残存容量（ＳＯＣ2）の制御中心容量近傍の所定の残存容量となったかどうかを判断する。そして、第２の二次電池１４の残存容量（ＳＯＣ2）が所定の残存容量となったら図３のステップＳ２１０に示すように第２の二次電池１４への充電を停止する。
【００３０】
以上説明した実施形態は、大容量、高電圧で高容量密度型の第１の二次電池１３と小容量、低電圧で高出力型の第２の二次電池１４とを組み合わせ、電動車両の通常駆動は第１の二次電池１３を用いて行い、大きな加速、減速の際など、第１の二次電池１３の放電可能電力ＷＯＵＴ1以上の電力が要求される際には第２の二次電池１４の電圧を昇圧コンバータ２０によって昇圧して第１の二次電池１３からの出力と合わせてインバータ１２を介してモータジェネレータ１１に供給し、第２の二次電池１４を放電させた後に第２の二次電池１４の残存容量（ＳＯＣ2）を制御中心近傍になるように充電するので、電源装置１００を高容量かつ高出力で寿命の長いものとすることができる。また、低圧の第２の二次電池１４の方が第１の二次電池１３よりも先に劣化が進んでくるが、第２の二次電池１４は小容量でその大きさが小さいことから容易に交換することができる上、交換費用も少なく、車両寿命に対するメンテナンス費用を低減することができる。また、本実施形態では、通常の駆動に用いられる第１の二次電池１３の電圧を６５０Ｖ程度の高い電圧とすることにより、モータジェネレータ１１からの逆起電力に容易に対応することができる。更に、２００Ｖ或いは３００Ｖの低圧の第２の二次電池１４から電動車両の補機に給電することから、ハイブリッド車両など従来の車両と補機を共通にすることができ、コストの低減を図ることができる。
【００３１】
図６を参照しながら本発明の他の実施形態について説明する。先に図１から図５を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図６に示すように、本実施形態は、図１を参照して説明した実施形態の第２の二次電池１４を同様の電圧で同様の容量を持つキャパシタ６１としたものである。それ以外の部分は、図１を参照して説明した実施形態の電源装置１００と同様である。また、図７及び図８に示すように、本実施形態の動作及びキャパシタ６１を放電させた後の充電は、図１から５を参照して説明した実施形態と同様で、図２，３の第２の二次電池１４がキャパシタ６１に変更され、第２の二次電池１４の残存容量（ＳＯＣ2）、放電可能電力ＷＯＵＴ2、充電可能電力ＷＩＮ2がそれぞれキャパシタ６１の残存容量（ＳＯＣ3）、放電可能電力ＷＯＵＴ3、充電可能電力ＷＩＮ3に変更されただけであるので、説明は省略する。
【００３２】
図９と図１０を参照しながら、電動車両の起動停止の際のキャパシタ６１への充電、放電動作について説明する。キャパシタ６１は長時間充電状態にあると劣化が進行してしまう場合がある。そこで、本実施形態では、電動車両が停止している際には、キャパシタ６１の電荷を第１の二次電池１３に移動させてキャパシタ６１の電荷を抜き、電動車両が始動された際には第１の二次電池１３によってキャパシタ６１を充電するようにしている。図９に示すように、本実施形態では、運転者によって図６に示すイグニッションキー６２が操作され、キーの位置がＲｅａｄｙ−ＯＮの位置となったら、制御部５０は、Ｒｅａｄｙ−ＯＮ要求があったものと判断してキャパシタ６１を充電する指令を出力する。ただし、この時点では、まだ車両を起動させない。この指令によって図６に示す昇圧コンバータ２０の各スイッチング素子２１，２３がオンオフ動作を開始して第１の二次電池１３からキャパシタ６１への充電を開始する。キャパシタ６１の充電を開始するとキャパシタ６１の残存容量（ＳＯＣ3）は次第に上昇し、第１の二次電池１３の残存容量（ＳＯＣ1）は低下していていく。ただし、第１の二次電池１３の満充電容量はキャパシタ６１の満充電容量よりも大きいので第１の二次電池１３の残存容量（ＳＯＣ1）の低下はわずかである。そして、キャパシタ６１の残存容量（ＳＯＣ3）が制御中心容量近傍となったら制御部５０は昇圧コンバータ２０の各スイッチング素子２１，２３をオフとして第１の二次電池１３とキャパシタ６１とを切り離し、キャパシタ６１の充電を終了する。キャパシタ６１の充電が終了したら、制御部５０は車両を起動する準備が完了したと判断して、Ｒｅａｄｙ−ＯＮフラグを立てて車両を起動させる。
【００３３】
そして、運転者が電動車両を停止させた後、イグニッションキー６２の位置をＲｅａｄｙ−ＯＦＦの位置とすると、制御部５０は、Ｒｅａｄｙ−ＯＦＦ要求があったものと判断して上記と逆にキャパシタ６１の電圧を昇圧コンバータ２０によって第１の二次電池１３の充電電圧まで昇圧してキャパシタ６１の電荷を第１の二次電池１３に移動させて第１の二次電池１３を充電する。ただし、この時点では、まだ車両を停止させない。キャパシタ６１の残存容量（ＳＯＣ3）が所定の残存容量以下となったら、制御部５０は、昇圧コンバータ２０の動作を停止し、第１の二次電池１３とキャパシタ６１とを切り離す。キャパシタ６１からの電荷の移動が終了したら、制御部５０は車両を停止する準備が完了したと判断して、Ｒｅａｄｙ−ＯＦＦフラグを立てて車両を停止させる。
【００３４】
本実施形態では、このように、電動車両が停止している際には、キャパシタ６１の電荷を第１の二次電池１３に移動させてキャパシタ６１の電荷を抜き、電動車両が始動された際には第１の二次電池１３によってキャパシタ６１を充電するようにして、必要な時間だけキャパシタ６１が充電されているようにすることによって、キャパシタ６１の劣化を抑制することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１１ モータジェネレータ、１２ インバータ、１３ 第１の二次電池、１４ 第２の二次電池、１５ プラグ、１６ ＤＣ／ＤＣコンバータ、１７ 補機、１８ アクセル位置センサ、２０ 昇圧コンバータ、２１ 上アームスイッチング素子、２２ 上アームダイオード、２３ 下アームスイッチング素子、２４ 下アームダイオード、２５ リアクトル、２６，２７ 低圧側端子、２８，２９ 高圧側端子、３１ プラス側出力線、３２ マイナス側出力線、３３ 基準電路、３４ 高圧電路、３５ 低圧電路、４１，４４ 電圧センサ、４２，４５ 電流センサ、４３，４６ 温度センサ、５０ 制御部、６１ キャパシタ、６２ イグニッションキー、１００ 電源装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に電力を供給する第１の蓄電装置と、
前記第１の蓄電装置と並列に接続され、前記負荷に電力を供給する第２の蓄電装置と、
前記第１の蓄電装置と前記第２の蓄電装置との間に接続され、前記負荷の要求電力に応じて前記第２の蓄電装置から負荷に供給する電力を変化させる供給電力変化手段と、
を備えることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電源装置であって、
前記電源装置は車両に搭載される車両用電源装置であり、前記負荷は車両に搭載される電動機であること、
を特徴とする電源装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電源装置であって、
前記第１、第２の蓄電装置は充放電可能な二次電池であり、
前記第１の蓄電装置の電圧は前記第２の電源装置の電圧よりも高く、
前記第１の蓄電装置は単位電極面積当たりの容量が前記第２の蓄電装置よりも大きく、前記第２の蓄電装置は単位電極面積当たりの出力電力が前記第１の蓄電装置よりも大きいこと、
を特徴とする電源装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の電源装置であって、
前記第１の蓄電装置は充放電可能な二次電池であり、前記第２の蓄電装置はキャパシタであり、
前記第１の蓄電装置の電圧は前記第２の蓄電装置の電圧よりも高いこと、
を特徴とする電源装置。
【請求項５】
請求項２から４のいずれか１項に記載の電源装置であって、
供給電力変化手段は、スイッチング素子を含む昇圧コンバータであり、
運転者のアクセル踏みこみ量が所定量以下の場合には、スイッチング素子をオフとし、
運転者のアクセルの踏みこみ量が所定量を超える場合には、前記負荷の要求電力に応じて前記第２の蓄電装置から負荷に供給する電力にかかわらずスイッチング素子をスイッチング動作させること、
を特徴とする電源装置。
【請求項１】
負荷に電力を供給する第１の蓄電装置と、
前記第１の蓄電装置と並列に接続され、前記負荷に電力を供給する第２の蓄電装置と、
前記第１の蓄電装置と前記第２の蓄電装置との間に接続され、前記負荷の要求電力に応じて前記第２の蓄電装置から負荷に供給する電力を変化させる供給電力変化手段と、
を備えることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電源装置であって、
前記電源装置は車両に搭載される車両用電源装置であり、前記負荷は車両に搭載される電動機であること、
を特徴とする電源装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電源装置であって、
前記第１、第２の蓄電装置は充放電可能な二次電池であり、
前記第１の蓄電装置の電圧は前記第２の電源装置の電圧よりも高く、
前記第１の蓄電装置は単位電極面積当たりの容量が前記第２の蓄電装置よりも大きく、前記第２の蓄電装置は単位電極面積当たりの出力電力が前記第１の蓄電装置よりも大きいこと、
を特徴とする電源装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の電源装置であって、
前記第１の蓄電装置は充放電可能な二次電池であり、前記第２の蓄電装置はキャパシタであり、
前記第１の蓄電装置の電圧は前記第２の蓄電装置の電圧よりも高いこと、
を特徴とする電源装置。
【請求項５】
請求項２から４のいずれか１項に記載の電源装置であって、
供給電力変化手段は、スイッチング素子を含む昇圧コンバータであり、
運転者のアクセル踏みこみ量が所定量以下の場合には、スイッチング素子をオフとし、
運転者のアクセルの踏みこみ量が所定量を超える場合には、前記負荷の要求電力に応じて前記第２の蓄電装置から負荷に供給する電力にかかわらずスイッチング素子をスイッチング動作させること、
を特徴とする電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１９９９３４（Ｐ２０１１−１９９９３４Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６０８２８（Ｐ２０１０−６０８２８）
【出願日】平成２２年３月１７日（２０１０．３．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１７日（２０１０．３．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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