JP2005073328A - 電気車輌用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 バッテリの補水を頻繁に行わなくてもバッテリの性能を維持でき、電気車輌が必要とする電力を安定して供給できる電気車輌用電源装置を提供する。
【解決手段】 バッテリ２には、負荷回路４に必要な電力容量より小さい電池容量のシール型バッテリユニットを複数個直列接続したものを用いる。シール型バッテリユニットの接続個数は、負荷回路４に必要な電力容量と出力電圧を提供できるエネルギー量を蓄積するのに十分な個数である。シール型バッテリ２は電気車輌との間に漏洩電流が漏れる虞が無いので、シール型バッテリ２の充電回路には絶縁型トランスを用いる必要は無く、トランスレスのＤＣ／ＤＣコンバータ１４が採用される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、バッテリの充電を制御するだけでなく、負荷回路２０を駆動するときにバッテリ２の高い電圧をより低い適切な出力電圧に降圧して負荷回路２０に供給する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、バッテリフォークリフトなどの電気車輌に搭載され、充電式バッテリからの給電で電気車輌内の各種回路を駆動するための電気車輌用電源装置に関する。

従来より、バッテリフォークリフトなどの電気車輌には、充電式のバッテリ及びバッテリからモータ等の負荷回路への電力供給を制御するＤＣ／ＤＣコンバータなどを備えた電気車輌用電源装置が搭載されている。バッテリには、通常、電解液を補充するための開口が設けられた開放型バッテリが用いられている。開放型バッテリの製品は電池容量の種類が豊富である（例えば、電池容量が1６０〜６００Ａｈの範囲で４５種類以上の製品が存在する）ため、電気車輌の種類や最大パワー等に応じて最適な電池容量のバッテリを選ぶことができる。

しかしながら、開放型バッテリはその構造上及び原理上の要因により、電解液に対して頻繁に補水を行わないと、バッテリのパワーが低下したり、充電しても充分なパワーが得られなかったりして、バッテリの寿命がかなり短くなるという問題がある。

さらに、開放型バッテリは、電解液注入口からバッテリケーシング表面に渡って導電性の汚れが付着していたりすると、充電時に、その導電性の汚れを通ってバッテリから電気車輌の金属製フレームへと電流が漏れることがある。従来、この漏電を防止するために充電器に絶縁トランスを設けているが、絶縁トランスが大型で大重量であるという問題がある。

尚、バッテリの寿命が短いという問題に関連して、特許文献１に、汎用の鉛蓄電池（つまり、開放型バッテリ）とＤＣ／ＤＣコンバータの組を複数組並列接続し、それぞれのバッテリの実容量に応じて負荷電流を分担しながら負荷の電動機へ高負荷電流を供給する技術が開示されている。この技術によれば、バッテリ容量に応じて最適な電流分担を行うのでそれぞれのバッテリの寿命を延ばすことができると共に、１つのバッテリ系統のみが早くダウンすることがなくなるので、システム全体から見たバッテリ寿命を延ばすことができる。

また、バッテリが供給できるパワーが充分でないという問題に関連して、特許文献２には、バッテリの時定数より時定数の小さい大容量コンデンサをバッテリに並列に接続し、大容量コンデンサがバッテリの応答速度より早い応答速度で負荷のモータに電力を供給することにより、バッテリの容量が負荷容量より小さくても所望の負荷電流を供給することができる技術が開示されている。例えば、モータ負荷を急変したときには過度的に大容量コンデンサからモータへ電力を供給し、定常時はバッテリからモータへ電力を供給することによって、比較的小さな容量のバッテリでも安定して負荷へ所望の電力を供給することができる。

特開２００２−３１２７６２号公報（段落番号００１７〜００３３、及び図１参照） 特開２００２−３１５１０９号公報（段落番号００１５〜００２７、及び図１参照）

しかし、特許文献１及び２に記載のいずれの技術によっても、開放型バッテリがその構造上及び原理上もっている補水を頻繁に行わないと性能が低下するという問題を解決することはできないし、また、充電時の漏洩電流の問題も解消できない。

本発明の目的は、バッテリに対して補水などのメンテナンスを頻繁に行わなくてもバッテリの性能を維持でき、電気車輌が必要とする電力を安定して供給できる電気車輌用電源装置を提供することにある。

本発明一つの態様に従う電気車輌用電源装置は、特定の電池容量をもつシール型バッテリユニットを複数個直列に接続して構成された充電式のバッテリと、前記バッテリの出力電圧を入力し、入力電圧を降圧して出力する電流制御型のＤＣ／ＤＣコンバータと、負荷回路に所望の電力が供給されるよう前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を制御するコントローラとを備える。

このような構成の電気車輌用電源装置によれば、シール型バッテリを使用しているので補水などのメンテナンス作業を頻繁に行わなくてもバッテリの性能を維持できる。また、シール型バッテリは、その構造上、電気車輌の金属製フレームから実質的に完全に絶縁され、充電時に漏洩電流が流れるおそれがない。そのため、バッテリの充電器をトランスレスにして、電気車輌用電源装置を小型軽量化することができる。複数個のシール型バッテリユニットを直列接続して高い出力電圧をもつバッテリを構成し、このバッテリの出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで降圧して出力し、そして、所望の電力を負荷回路に供給できるようＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を制御することにうより、バッテリの寿命を長期化して安定して負荷に電力を供給できる。直列接続されるシール型バッテリユニットの個数を選ぶことで、特定種類のシール型バッテリを用いて種々の電気車輌の負荷容量に対応できる電源装置を構成することができる。

上述したバッテリとＤＣ／ＤＣコンバータの組を並列又は直列に複数組備えるようにしてもよい。このような組を並列に複数組設けた場合、バッテリの出力電圧を（よってＤＣ／ＤＣコンバータの耐圧も）ことさら高くすることなしに電力容量を増大させることができる。また、この場合、それぞれのバッテリの出力電流を対応するＤＣ／ＤＣコンバータによって個別に制御することができるので、複数組のバッテリをバランスよく使用することができる。一方、上記の組を直列に複数組設けた場合、出力電圧の可変範囲を拡大することができる。

また、上記コントローラは、バッテリの充電状態を検出し、検出された充電状態に応じてＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧又は出力電流を制御するようにすることができる。これにより、バッテリの充電状態に応じて電気車輌の作業能力を調節して、バッテリを酷使することを防止できるので、バッテリの性能劣化を抑制することができる。

以下、図面を参照して本発明における電気車輌用電源装置の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態にかかる電気車輌用電源装置の全体的な概略構成を示す。

図１に示すように、バッテリフォークリフトなどの電気車輌１上に、充電式バッテリ２や充電・電源制御回路３などからからなる電気車輌用電源装置１０と、モータドライバ／コントロールパネル／その他種々の車輌機能用回路（以下、モータドライバ等という）４及びモータ５などを含む負荷回路２０が搭載されている。

なお、電気車輌用電源装置１０の出力電圧は、モータドライバ等４に含まれる種々の回路の多くの定格電源電圧（例えば、４８Ｖ、１２Ｖ、５Ｖなど）よりも高く設定されている（加えて、後述するように、所定の電圧範囲で意図的に増減される）ため、電気車輌用電源装置１０の出力電圧からモータドライバ等４内のそれぞれの回路の電源電圧を生成するためのレギュレータが必要であるが、それらレギュレータは図１ではモータドライバ等４のブロックに含まれているものとして、図示省略してある。

図１において、充電・電源制御回路３は、バッテリ２から負荷回路２０への電力供給（負荷回路２０からの電力回生も含む）を制御したり、バッテリ２への充電電流の制御を行なったりするものである。充電・電源制御回路３は、バッテリ２と負荷回路２０との間に接続されており、また、充電時に工場等の所定の外部電源、例えば３相２００Ｖ交流電源６、のソケット９に差し込むためのプラグ８を有している。電気車輌１の動作時には、充電・電源制御回路３は、バッテリ２からモータドライバ等４へ車輌動作に必要な電力を供給する。また、バッテリ２の充電時には、充電・電源制御回路３は、工場等に設けられた３相２００Ｖ交流電源６と接続して、バッテリ２へ充電電力を供給する。充電・電源制御回路３は、絶縁型トランスを用いたバッテリ充電回路は有しておらず、代わりに、トランスを用いないＤＣ／ＤＣコンバータ１４（図２）を用いたバッテリ充電回路を有しており、その詳細な構成は後に説明する。このＤＣ／ＤＣコンバータ１４（図２）は、電流制御型のものであって、負荷回路２０が必要とする出力電圧と電池容量を作り出すために、以下に説明するバッテリ２と組み合わさって重要な役割を果たす。

図１において、バッテリ２は、開放型バッテリではなく、シール型（密閉型）バッテリユニットを複数個直列接続したものである。因みに、シール型バッテリには、鉛、ニッケル水素、リチウムイＯＮなどの幾つかのタイプがある。これらのシール型バッテリユニットは、バッテリ内部が実質的に密閉されて外部から実質的に完全に絶縁されている（バッテリ呼吸用の微小開口はあるが、バッテリ内部と外部との間で電流が漏れる虞のあるような開口は全くない）。そのため、シール型バッテリユニットを直列接続してなるバッテリ２は、バッテリ２と車輌フレーム間に漏洩電流が流れる虞は無く、また、開放型バッテリのように補水等のメンテナンスを頻繁に行わないと性能が低下するという問題もない。

しかし、シール型バッテリユニットには、市場に出ている製品群の電池容量の種類が極めて少なく、かつ、その電池容量は電気車輌が必要とする電池容量よりかなり小さいという問題がある。例えば、ある種の電気車輌は４００Ａｈ程度の電池容量を必要とするところ、シール型の鉛電池ユニットの場合は、通常、２８Ａｈ、３８Ａｈ、６０Ａｈ、及び１５０Ａｈの４種類程度の小さい電池容量の製品しか市場に存在ない。そのため、電気車輌の種類や走行パワーに対応して最適な電池容量のシール型バッテリを選択することが現実的に不可能である。また、今後、電気車輌の種類に応じて最適な電池容量をもつシール型バッテリの種類を開発することは、開発コストが増大したり、市場のニーズがあるか否かが不明であるなど、リスクが大きいので得策とはいえない。

そこで、図１に示した電気車輌用電源装置１０では、特定の小さい電池容量をもつシール型バッテリユニットを複数個直列に接続してバッテリ２を構成するとともに、このバッテリ２に、ＤＣ／ＤＣコンバータを内蔵した充電・電源制御回路３（その具体的な構成例は図２に示されている）を接続し、この充電・電源制御回路３内のＤＣ／ＤＣコンバータ１４（図２）によって、バッテリ２から、負荷回路２０が必要とする出力電力と電池容量を作り出すようにしている。

すなわち、負荷回路２０が必要とする電池容量と出力電圧を実現するために必要なエネルギー量を満たすのに必要な個数の小容量シール型バッテリユニットを直列に接続してバッテリ２を構成する。すると、バッテリ２の出力電圧は、負荷回路２０が必要な出力電圧よりもかなり高い電圧になる。そこで、このバッテリ２の高い出力電圧を、充電・電源制御回路３内のＤＣ／ＤＣコンバータにより、負荷回路２０が必要とする低い出力電圧に変換して負荷回路２０に供給する。

ここに一つの具体例を挙げる。一般的な開放型鉛蓄電池を用いた従来の電気車輌用電源装置の出力電圧は例えばＤＣ４８Ｖであり、電池容量は例えば４００Ａｈであるが、これと同じ能力を図１の電気車輌用電源装置１０で実現する場合を例に挙げる。この場合、バッテリ２に蓄積されるべきエネルギー量Ｐｋは、
Ｐｋ＝４００Ａｈ×４８Ｖ＝１９２００ＶＡｈ
である。ここで、バッテリ２を構成するために、例えば電池容量が６０Ａｈで出力電圧が１２Ｖであるシール型鉛蓄電池ユニットを用いることとする。１個のシール型鉛蓄電池ユニットの蓄積エネルギー量Ｐｓは、
Ｐｓ＝６０Ａｈ×１２Ｖ＝７２０ＶＡｈ
である。よって、負荷回路２０に必要なエネルギー量を満足させるシール型鉛蓄電池ユニットの直列個数Ｓは、
Ｓ＝１９２００ＶＡｈ÷７２０ＶＡｈ≒２７（個）
となる。すなわち、電池容量が６０Ａｈで出力電圧が１２Ｖのシール型鉛蓄電池ユニットを２７個直列に接続することで、バッテリ２が構成される。このバッテリ２の出力電圧Ｅは、
Ｅ＝１２Ｖ×２７（個）＝３２４Ｖ
となる。このバッテリ２の出力電圧３２４Ｖを、充電・電源制御回路３内のＤＣ／ＤＣコンバータ１４（図２）によって、負荷回路２０に供給すべき４８Ｖに降圧して出力する。なお、この例では、車両用電源装置１０の出力電圧を仮にＤＣ４８Ｖとして説明したが、実際には、後述するように、出力電圧は或る電圧範囲内で意図的に増減されるようになっており、この出力電圧の増減も充電・電源制御回路３内のＤＣ／ＤＣコンバータ１４（図２）によって行われるようになっている。

上記構成によれば、単一種類の小容量シール型バッテリユニットを用いて、所望の電力容量と出力電圧を実現することができる。すなわち、単一種類の小容量シール型バッテリユニットを用いて、能力の異なる複数種類の電気車輌用電源装置を構成することができる。従って、シール型バッテリの製品群が限定されていても問題は無く、特定の電気車輌に専用の能力を持つシール型バッテリを新たに開発する必要は無い。

さて、図１の構成において、バッテリ２を充電する際には、交流電源６に充電・電源制御回路３が接続されるが、このとき、電気車輌１の金属製のフレームが交流電源６側の接地ラインに接続されて接地電位となるようになっている。もし、充電中にバッテリ２と電気車輌１のフレームへと漏洩電流が流れたならば、例えば数十ｍＡ程度の僅かな漏洩電流が流れただけで、交流電源７側の漏電遮断器７が作動して交流電源６からの電流路を遮断してしまう。この問題を解決するために従来は絶縁型トランスを用いた充電器が使用されていた。これに対し、本実施形態にかかる電気車輌用電源装置１０では、バッテリ２として、外部から実質的に完全に絶縁されたシール型バッテリが用いられているため、バッテリ２と車輌フレームとの間に漏洩電流が流れる虞がなく、よって、上記のような漏電遮断器７が作動する問題が生じない。それ故に、充電・電源制御回路３の充電回路には、絶縁型トランスを用いる必要がなく、それに代えて、トランスレスのＤＣ／ＤＣコンバータが用いられている。その結果、充電・電源制御回路３は小型軽量になることができる。

さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータを採用することで、設定した時間の範囲内で満充電を完了させるような充電制御を行うことが可能になる。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータは微細な充電制御を行うことができるという特徴をもつ。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、複数段階の定電流制御によって充電を行うことができ、１段階目の充電電流値はバッテリの電極を損傷させない範囲内でかなり自由に設定することができる。この特徴を利用して、充電・電源制御回路３は、充電開始前にユーザに所望の充電時間を設定させ、その充電時間で満充電が完了するように各段階の充電電流を自動計算し設定した上で充電を開始して、各段階の充電電流を対応する設定値に制御することができる。例えば、１段階目の充電電流値を高く設定して短時間で満充電にすることもできるし、１段階目の充電電流値を比較的低く設定して長時間で満充電にすることもできる。このように、あらかじめ所望の充電時間を設定しておけば、充電・電源制御回路３が、所望の充電時間以内に満充電となるように１段階目又はそれ以降の段階の充電電流値を自動的に決めて制御することができる。

また、電流容量の大きい急速充電対応のシール型バッテリを採用した場合、急速充電対応の開放型バッテリを採用した場合に比べて、充電開始から車輌稼動開始までの実質的な充電時間がより短くなるという利点も得られる。すなわち、開放型バッテリは、急速充電を行うと大量の熱が発生するため、充電完了後にかなりの長時間（例えば、充電に要した時間と同程度の長さの時間）冷却を行わないと、車輌稼動を開始できないのに対して、シール型バッテリの場合は急速充電しても大した熱は発生しないので、充電完了後に冷却せずに実質的に直ちに車輌稼動を開始できる。そのため、急速充電を作業の都合に合わせて随時に（例えば、作業者の休憩時間などに）繰り返しながら、車輌を実質的に２４時間継続的に稼動させることができる。

図２は、本実施形態にかかる電気車輌用電源装置１０の回路構成を示す。尚、図２は、バッテリ充電のために電気車輌用電源装置１０が３相２００Ｖ交流電源６に接続された状態を示しているが、勿論、充電時以外の時には、電気車輌用電源装置１０は３相２００Ｖ交流電源６から切り離されている。

図２に示される電気車輌用電源装置１０において、バッテリ２を除いた部分が図１に示した充電・電源制御回路３に相当する部分であり、これは、バッテリ２から電気車輌に電力を供給するための電源制御系統と、バッテリ２を充電するための充電系統とから構成されている。

電気車輌用電源装置１０の電源制御系統には、シール型バッテリ２と、このバッテリ２０と負荷回路２０との間に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の負荷回路２０側端子に負荷回路２０と並列に（つまり、負荷回路２０から見るとＤＣ／ＤＣコンバータ１４と並列に）接続された大容量コンデンサ１５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の動作を制御するためのコントローラ１８が含まれている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、半導体スイッチング素子を用いたトランスレスの構成を有する双方向に電力変換可能な回路であって（その具体的構成例については後に説明する）、車輌動作時には、バッテリ２０の出力電圧を、所定の電圧範囲内の電圧に変換して負荷回路２０側へ出力し、そして、図２中の矢印ｂに示すようにバッテリ２から負荷回路２０への電力を供給するとき（例えば、モータ５の力行時）、及び図２中の矢印ａに示すように負荷回路２からバッテリ２へ電力が返還されるとき（例えば、モータ５の回生時）の双方のときの電力変換制御を、スイッチング素子の働きにより行う。

コントローラ１８は、負荷回路２０と同様、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４から電源を得て動作する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力電圧からコントローラ１８の定格電源電圧（例えば、１２Ｖ、５Ｖなど）を生成するためのレギュレータは、図２ではコントローラ２０のブロックに含まれているものとして、図示省略してある。このコントローラ１８は、負荷回路２０の状態やその他の図示しない運転指示情報やセンサ情報等に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４が電力制御を適切に行うよう、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の状態やスイッチング素子のデューティ（通電率：一周期内のＯＮ時間の割合）を制御して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力電圧を制御する。

大容量コンデンサ１５は、例えばファラッドオーダの容量をもつもので、負荷急変時（負荷回路２０へ供給すべき電力又は負荷回路２０から返還される電力の急変時）に、負荷回路２０へ所望電力を急速放出したり、負荷回路２０から返される電力を急速吸収したりするためのものである。なお、この大容量コンデンサ１５による電力の放出／吸収を効果的に行うために、コントローラ１８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御してその出力電圧を所定の電圧範囲で意図的に増減することができる。例えば、出力電圧の可変範囲の最低値がＥで最高値が２Ｅである場合、大容量コンデンサ１５に蓄積可能な最大エネルギー量に対する大容量コンデンサ１５から放出させたり吸収させたりして利用することができるエネルギー量の比率（大容量コンデンサ１５の使用効率）は７５％程度という非常に高い値である。

電気車輌用電源装置１０の充電系統には、３相２００Ｖ交流電源６に接続するためのプラグ８と、充電時のみＯＮ状態にされる充電スイッチ１１と、３相２００Ｖを整流して直流電圧を生成する整流器１２と、整流器１２からの直流電圧を入力してこれをバッテリ充電に必要な所定の目的電圧に降圧又は昇圧して出力する降圧／昇圧器１３とが含まれる。さらに、この充電系統には、上述したＤＣ／ＤＣコンバータ１４及びコントローラ１８と、充電時に降圧／昇圧器１３及びＤＣ／ＤＣコンバータ１４などの３相２００Ｖ交流電源６に接続された回路から負荷回路２０やコントローラ１８を切り離すための保護スイッチ１６と、保護スイッチ１６をバイパスするように設けられた絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１９が含まれる。

降圧／昇圧器１３の出力端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の負荷回路２０側の端子に接続されている。そして、バッテリ充電時、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、図２中矢印ａに示すように降圧／昇圧器１３からバッテリ２へと電流を流すように動作して、バッテリ２の充電を行なう。その際、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、バッテリ２の充電電流が所定の設定電流値に一致するように定電流制御を行なう。

保護スイッチ１６は、車輌動作時にはＯＮ状態になっていてＤＣ／ＤＣコンバータ１４及び大容量コンデンサ１５を負荷回路２０及びコントローラ１８に接続しているが、バッテリ充電時にはＯＦＦ状態になって、降圧／昇圧器１３やＤＣ／ＤＣコンバータ１４などの３相２００Ｖ交流電源６に接続された回路と負荷回路２０及びコントローラ１８との間の電気的接続を遮断する（つまり、前者から後者を電気的に絶縁する）。

絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１９は、高周波自励発振回路と高周波絶縁型トランスを用いた小型軽量の小容量ＤＣ／ＤＣコンバータであって、充電時に保護スイッチ１６がＯＦＦ状態にあるとき、降圧／昇圧器１３の出力電圧を、負荷回路２０中の充電中も作動している必要がある所定回路（例えば、コントロールパネル等の所定のパイロットランプなど）やコントローラ１８の駆動に必要な電圧(例えば４８Ｖ）に変換して負荷回路２０及びコントローラ１８に供給し、それにより、充電時においてコントローラ１８が充電制御を行ったり負荷回路２０中の上記パイロットランプ等の所定回路が作動することができようにする。高周波絶縁型トランスにより、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１９の入力側（降圧／昇圧器１３側）と出力側（負荷回路２０及びコントローラ１８側）は互いに電気的に絶縁されている。

コントローラ１８は、充電時には、上述の充電スイッチ１１、保護スイッチ１６及びＤＣ／ＤＣコンバータ１４などを制御する。すなわち、充電を開始しようとする際には、コントローラ１８は、予め設定された充電時間でバッテリ２の満充電を完了するように、設定された充電時間に基づいて充電の複数段階の充電電流値を自動計算して設定する。そして、コントローラ１８は、保護スイッチ１６をターンＯＦＦし、続いて充電スイッチ１１をターンＯＮすることにより、充電を開始する。充電中は、コントローラ１８は、充電中の複数段階における充電電流がそれぞれの段階の設定電流値に一致するようにＤＣ／ＤＣコンバータ１４のスイッチング素子のデューティを制御する。充電が完了すると、コントローラ１８は、充電スイッチ１１をターンＯＦＦし、続いて保護スイッチ１６をターンＯＮすることにより、充電を終了する。

尚、図２に示すように、この実施形態では、大容量コンデンサ１５が保護スイッチ１６よりもＤＣ／ＤＣコンバータ１４の側に配置されているが、これに代えて、大容量コンデンサ１５を保護スイッチ１６よりも負荷回路２０側に配置してもよい。しかし、図示のように大容量コンデンサ１５が保護スイッチ１６よりＤＣ／ＤＣコンバータ１４側に配置された場合には、充電時にバッテリ２だけでなく大容量コンデンサ１５も充電されることになるので都合が良い。

充電が終わった後電気車輌１が動作するときには、保護スイッチ１６がＯＮで充電スイッチ１１がＯＦＦになっている状態で、コントローラ１８は、制御信号Ｓ２によってＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の電流方向が力行時に図の矢印ｂの方向になるように、また回生時には図の矢印ａの方向になるようにするとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を流れる電流を所望値に制御する。負荷の急変は、大容量コンデンサ１５によって即応されるので、負荷回路２０は常に安定した動作を行うことができる。

図３は、本発明の第２の実施の形態にかかる電気車輌用電源装置１０´の回路構成図である。この電気車輌用電源装置１０´も、図１に示した電気車輌用電源装置１０と同様に電気車輌１上に搭載される。

図３に示す電気車輌用電源装置１０´は、図２に示したものと同様の構成のシール型バッテリとＤＣ／ＤＣコンバータの組を複数個並列に大容量コンデンサに接続したものである。すなわち、或る一つの種類のシール型バッテリユニットを所定の複数個数だけ直列接続してなる第１のバッテリ２１及びこれに接続された第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２２の組と、同種類のシール型のバッテリユニットを同個数だけ直列接続してなる第２のバッテリ２３及びこれに接続された第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２４の組が、共通の大容量コンデンサ１５に対して並列に接続されている。保護スイッチ１６は、図２に示した保護スイッチ１６と同じ働きをする。コントローラ２８は、図２に示したコントローラ１８と同様に、負荷回路２０等の状態に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２、２４及び保護スイッチ２５などを制御する。なお、図３では２組のバッテリ及びＤＣ／ＤＣコンバータを並列接続したが、負荷回路２０が必要とする電力容量に応じて、さらに多くのバッテリ及びＤＣ／ＤＣコンバータの組を並列接続することもできる。

図３に示す構成によれば、図２に示した構成を採用した場合に比べて、同程度の電池容量を得るために必要な個々のバッテリ２２、２４の出力電圧を（よって、ＤＣ／ＤＣコンバータの耐圧レベルも）低くすることが可能であり、或いは、個々のバッテリ２２、２４の出力電圧を（よってＤＣ／ＤＣコンバータの耐圧レベルも）ことさら高くすることなく電池容量を増大させることができる。

また、図３に示す構成においては、複数のバッテリ２１、２４の相互間の出力電圧、蓄電量又は劣化状態のバラツキ又はアンバランスが多少なりとも存在するが、このバラツキ又はアンバランスが一層助長されないように、或いは、これをより平衡な状態に是正できるように、コントローラ２８は、複数のバッテリ２１、２４の状態に応じて複数のＤＣ／ＤＣコンバータ２２、２４の駆動状態を個別に調節できることが望ましい。

また、図３に示す構成において、図示省略されているが、図２に示した充電スイッチ１１、整流器１２及び降圧／昇圧器１３と同様の充電回路も、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ２２、２４に対して共通に又は個別に設けられる。バッテリ２１，２３を充電する場合、それぞれ対応するＤＣ／ＤＣコンバータ２２，２４が個別に定電流制御を行い、それぞれのバッテリ２１，２３の充電を個別に制御する。この場合、コントローラ２８は、それぞれのバッテリ２１，２３のＳＯＣ（State Of Charge：充電状態又は蓄電状態）を検出し、それぞれのバッテリ２１，２３の出力電圧及び温度上昇などに基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２，２４の充電電流を個別に最適値に制御する。また、図２に示した小容量の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１９と同様のコンバータも、図示省略されているが、図３に示した構成に設けられている。

また、第１のバッテリ２１及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２の組と第２のバッテリ２３及びＤＣ／ＤＣコンバータ２４の組のいずれか一方を大容量コンデンサ２５から切り離し、切り離された方の組のバッテリに対して充電を行ないつつ、接続されている方の組を用いて電気車輌１を駆動制御するというように、それぞれの組ごとに独立した動作を行わせることもできる。

ところで、図３に示した構成では、複数のシール型バッテリとＤＣ／ＤＣコンバータの組を並列に大容量コンデンサに接続することで、個々のバッテリの出力電圧をことさら高くせずに電池容量を増大することができる。これに対し、複数のシール型バッテリとＤＣ／ＤＣコンバータの組を直列に大容量コンデンサ１５に接続することにより、出力電圧の可変範囲をより大きくすることができる。また、これら並列接続の構成と直列接続の構成とを組み合わせることもできる。

図４は、本発明の第３の実施形態に係る電気車両用電源装置の、特に、バッテリに接続されたＤＣ／ＤＣコンバータの部分を詳細に示したものである。

図４に示されたＤＣ／ＤＣコンバータ３４は、直並列チョッパ回路として構成され、２セットのバッテリ３１、３２（それぞれ、所定複数個のシール型バッテリユニットを直列接続したものである）と接続され、系統電圧ライン８２、８３（このライン８２、８３に大容量コンデンサ１５が接続され、また図示省略されているが、図２又は図３に示したものと同様に保護スイッチ１６を介して負荷回路２０などが接続される）へ出力する電圧レベルを無段階に制御することができる。コントローラ３８は、制御信号Ｓ２Ａ、Ｓ２Ｂ、Ｓ２ＣによりＤＣ／ＤＣコンバータ３４の出力電圧を制御する。図４中の充電回路１１、１２、１３は、図２に示した充電スイッチ１１、整流器１２及び降圧／昇圧器１３と同様の回路を1ブロックに纏めて示したものである。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３４は、これら２セットのバッテリ３１、３２を直列に接続したり切り離したりするためのスイッチング素子、例えば第１のトランジスタ８１３を有し、これはコントローラ３８からの制御信号Ｓ１Ａにより高速周期でＯＮ／ＯＦＦ駆動される。すなわち、第１のトランジスタ８１３のエミッタ−コレクタパスが、第１セットのバッテリ３１のマイナス端子と第２セットのバッテリ３２のプラス端子との間に結合され、また、そのベースが、コントローラ８５の駆動出力端子に接続される。

また、第１セットのバッテリ３１のプラス端子は第１のインダクタ８１４を介して、このＤＣ／ＤＣコンバータ３４のプラス出力端子８２（すなわち、プラスの系統電圧ライン８２）に接続され、第２セットのバッテリ３２のマイナス端子は第２のインダクタ８１５を介して、このＤＣ／ＤＣコンバータ３４のマイナス出力端子８３（即ち、マイナスの系統電圧ライン８３）に接続される。また、このＤＣ／ＤＣコンバータ３４のマイナス出力端子８３と第１セットのバッテリ３１のマイナス端子との間に、前者から後者へ向かう方向を順方向とするように第１のダイオード８１６が接続され、このＤＣ／ＤＣコンバータ３４のプラス出力端子８２と第２セットのバッテリ３２のプラス端子との間に、後者から前者へ向かう方向を順方向とするように第２のダイオード８１７が接続される。

また、第２のトランジスタ８２６のエミッタ−コレクタパスが第１のダイオード８１６の両端子間に接続されていて、第２のトランジスタ８２６がＯＮになると、第１のダイオード８１６の両端子間が短絡される。また、第３のトランジスタ８２７のエミッタ−コレクタパスが第２のダイオード８１７の両端子間に接続されていて、第３のトランジスタ８２７がＯＮになると、第２のダイオード８１７の両端子間が短絡される。第２と第３のトランジスタ８２６、８２７のベースは、コントローラ３８の２つの充電制御出力端子に夫々接続されていて、コントローラ３８からの２つの制御信号Ｓ２Ｂ、Ｓ２Ｃによりそれそれ第２と第３のトランジスタ８２６、８２７がＯＮ／ＯＦＦ動作するようになっている。さらに、このＤＣ／ＤＣコンバータ３４のプラスとマイナスの出力端子間に、このＤＣ／ＤＣコンバータ３４の出力電圧のノイズを除去するためのコンデンサ８１８が接続される。なお、ノイズ除去用コンデンサ８１８は、その容量は高々例えば数十マイクロファラッドであり、ファラッドオーダの容量を有する大容量コンデンサ１５とは構成的にも機能的にも全く異質のものである。

上記のように構成されたＤＣ／ＤＣコンバータ３４において、バッテリ３１、３２の充電時には、第２のトランジスタ８２６及び第３のトランジスタ８２７がコントローラ３８により駆動されて、ＤＣ／ＤＣコンバータ３４の出力端子８２、８３に接続された充電器１１、１２、１３からバッテリ３１、３２へ充電することができる。このとき、第２のトランジスタ８２６は第１セットのバッテリ３１の充電を司り、そのデューティの調節により第１セットのバッテリ３１の充電電流を制御することができる。また、第３のトランジスタ８２７は第２セットのバッテリ３２の充電を司り、そのデューティの調節により第２セットのバッテリ３２の充電電流を制御することができる。さらに、以下に説明する車輌の動作時において、負荷回路からエネルギーが回生された場合、第３のダイオード８２１及び第４のダイオード８２２を通してバッテリ３１、３２が充電される。

充電が終わった後、車輌の動作時には、第１のトランジスタ８１３はコントローラ３８により駆動されて、所定の高速周期でＯＮ／ＯＦＦ動作を繰り返す。第１のトランジスタ８１３のデューティは可変であり、コントローラ３８によって制御される。第１のトランジスタ８１３がＯＮのときには、第２セットのバッテリ３２、トランジスタ８１３、第１セットのバッテリ３１、第１のインダクタ８１４、プラス系統電圧ライン８２、大容量コンデンサ１５（又は負荷回路）、マイナス系統ライン８３、第２のインダクタ８１５を順に通って電流が流れる。このとき、２セットのバッテリ３１、３２は直列に接続される。

一方、第１のトランジスタ８１３がＯＦＦのときには、第１セットのバッテリ３１、第１のインダクタ８１４、プラス系統電圧ライン８２、大容量コンデンサ１５（又は負荷回路）、マイナス系統ライン８３、第１のダイオード８１６という経路を順に通って電流が流れるとともに、第２セットのバッテリ３２、第２のダイオード８１７、プラス系統電圧ライン８２、大容量コンデンサ１５（又は負荷回路）、マイナス系統ライン８３、第２のインダクタ８１５を順に通っても電流が流れる。このとき、２セットのバッテリ３１、３２は並列になる。

このように、一周期の動作内で、２セットのバッテリ３１、３２の直列接続と並列接続が切り替えられる。ここで、バッテリ３１、３２の各々の電圧をＥ、トランジスタ８１３のデューティをαとすると、ＤＣ／ＤＣコンバータ３４の実質的な出力電圧（つまり、実質的な系統電圧）Vsは、
Vs＝（1＋α）Ｅ
となり、系統電圧Vsは、Ｅから２Ｅまでの広い範囲で連続的に可変である。

コントローラ３８は、系統電圧Vs、負荷回路２０（図示省略）へ供給される負荷電流、ＤＣ／ＤＣコンバータ３４の出力電流、各バッテリ３１、３２の出力電流、及び負荷回路から入力される負荷回路の運転状態を表す運転信号（例えば、モータが運転か停止か、モータが力行運転か回生運転か、負荷回路が必要とする電力の大きさなどを表す信号）などを入力し、これらの入力信号に基づいて、第１のトランジスタ８１３のデューティを調節して系統電圧Vsを制御する。系統電圧Vsを上記Ｅから２Ｅまでの範囲で意図的に増減することで、大容量コンデンサ１５を効率的に使用して、負荷回路を安定して駆動することができる。例えば、大容量コンデンサ１５に蓄積可能な最大エネルギーの７５％程度を、大容量コンデンサ１５から放出させたり吸収させたりして有効に利用することができる。

上記の例から分かるように(実際はこれほど単純ではないが)、図４に示したＤＣ／ＤＣコンバータ３４によれば、大容量コンデンサ１５の使用効率が非常に高いという利点が得られる。この利点を生かして、例えば、次のように系統電圧Vsの制御を行うことができる。すなわち、モータの力行時のように負荷回路に大電力を供給する必要があるときには、第１のトランジスタ８１３のデューティを低めて系統電圧Vsを下げる。系統電圧Vsの低下により、大容量コンデンサ１５内で余剰となったエネルギーが大容量コンデンサ１５から放出され負荷回路に供給される。また、モータの回生時のように負荷回路から大電力を戻す必要があるときには、第１のトランジスタ８１３のデューティを高めて系統電圧Vsを上げる。系統電圧Vsの上昇により大容量コンデンサ１５内で不足となったエネルギーが負荷回路２０から大容量コンデンサ１５へ戻される。

このように、負荷回路２０が必要とする電力の大きさに応じて、系統電圧Vsを増減させることにより、大電力を大容量コンデンサ１５から放出したり吸収したりすることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ３４の出力電力は、大きく変動せずに済み、理想的には負荷回路２０が必要とする激しく変動する電力の平均値を出力することになる。このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３４の出力電力を安定させることができるので、（系統電圧Vsは大きく変動するが、）バッテリ３１、３２の各々の出力電流も大きく変動せずに済む。

さらに、図４に示したＤＣ／ＤＣコンバータ３４は、直並列チョッパ回路として構成されているため、バッテリ３１、３２の各々の出力電流を小さく抑えることができる。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ３４として直並列チョッパ回路を用いた場合、負荷が電力Ｐを要求するとき、各々出力電圧Ｅをもつバッテリ３１、３２の直列接続時にはＰ／２Ｅの負荷電流が、また並列接続時にはＰ／Ｅの負荷電流が流れるが、バッテリ一個（複数個のバッテリユニットの直接接続体一セット）あたりの最大電流は直列接続時も並列接続時もＰ／２Ｅとなる。つまり、どんな状態においても、バッテリ３１、３２及びＤＣ／ＤＣコンバータ３４の構成素子には、最大でＰ／２Ｅの電流しか流れないことになる。このように最大電流が小さいことにより、ＤＣ／ＤＣコンバータは小型にすることができき、また、バッテリ３１、３２の効率及び寿命も向上する。

ところで、図４に示した構成のＤＣ／ＤＣコンバータ３４を複数個並列に大容量コンデンサ１５に接続することにより、より大きな蓄電容量を得ることができる。また、複数個の同様のＤＣ／ＤＣコンバータ３４を直列に大容量コンデンサ１５に接続することにより、系統電圧Vsの可変範囲をより大きくすることができる。また、複数個のＤＣ／ＤＣコンバータ３４の並列接続と直列接続とを組み合わせることもできる。

ところで、バッテリフォークリフトのような電気車輌には、一般に、電子車輌を走行させるための走行モータやリフトを持ち上げるための油圧ポンプモータ等が負荷回路として含まれているが、これらのモータは入力電圧が高いほど性能が上がる(例えば、リフト速度が速くなる）。しかし、モータの入力電圧を最大どこまで高くできるかは、バッテリ電圧に依存する。バッテリ電圧が低いときに高すぎる出力電圧を発生させようとしてバッテリの出力電流を過大にすると、バッテリの性能が早期に劣化してしまう。そこで、上述した複数の実施形態のいずれにおいても、コントローラがバッテリ電圧に応じてＤＣ／ＤＣコンバータによる出力電圧（モータ等の負荷回路への入力電圧)の調整して、バッテリ性能と電気車輌の作業性能との間に適切な調和をとるような制御を行うことが好ましい。例えば、バッテリが満充電に近くバッテリ電圧が高いときはパワフルモードとして出力電圧を高く制御して最大の作業性能を発揮させ、蓄電量が減ってバッテリ電圧が若干下がるとノーマルモードとして標準的な出力電圧で通常の作業能率を発揮させ、更に蓄電量が減ってバッテリ電圧が一層低くなるとエコノミーモードとして出力電圧を低く抑えて最小限の作業能力を発揮させるというようなモード切り替えを行うようにすることができる。この場合、バッテリ電圧に応じてオペレータの判断と操作によってモードスイッチを切り替えて、パワフルモード／ノーマルモード／エコノミーモードの選択を行うようにしてもよいし、これに代えて又はこれと組み合わせて、バッテリ電圧を検出して自動的又は強制的にモード切り替えを行うようにしてもよい。

図５は、このようなバッテリ電圧に応じた出力モードの変更制御の流れの一例を示す。

図５に示すように、コントローラが、モード制御を行うか否かを判断し（ステップＳ１）、モード制御を行う場合は（ステップＳ１でＹｅｓの場合）、モード制御を自動で行うか手動で行うかを判断する（ステップＳ２）。

モード制御を自動で行う場合は、コントローラは、バッテリの電圧やその他の状態（ＳＯＣ）をチェックしてバッテリの蓄電量を判断して、その判断結果に応じて自動的にモードを設定する（ステップＳ３）。例えば、バッテリの電圧が所定の高閾値より高く蓄電量が１００パーセントに近い高レベルにあると判断されればパワフルモードが設定され、バッテリの電圧が所定の高閾値と所定の低閾値との間であって蓄電量のパーセンテージが中レベルであると判断されればノーマルモードが設定され、また、バッテリの電圧が所定の低閾値より低く蓄電量のパーセンテージが低レベルであると判断されればエコノミーモードが設定される。

一方、また、モード制御を手動で行う場合は、コントローラは、上記の自動の場合と同様の判断方法によって推奨のモードを決定し、これをディスプレイやバッテリメータ等に表示するなどしてオペレータに知らせる（ステップＳ４）。オペレータは、この推奨モードを参考にして、所望のモードを手動で設定する（ステップＳ７）。ただし、バッテリの電圧等のＳＯＣから蓄電量のパーセンテージが非常に低い、例えば２０パーセント以下のように空に近い状態であると判断された場合には（ステップＳ５でＹｅｓ）、コントローラは、オペレータにモードを選択させることなく、強制的に、エコノミーモードを設定する（ステップＳ６）。

このようにしてモードが設定されると、コントローラは、設定されたモードに対応した電圧(又は電圧範囲）にＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を制御する（ステップＳ８〜Ｓ１１）。例えば、エコノミーモードが設定されている場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を所定の低出力電圧、例えばＤＣ４４Ｖに（又は、所定の低出力電圧範囲に）制御する（ステップＳ９）。また、ノーマルモードが設定されている場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を所定の通常出力電圧、例えばＤＣ４８Ｖに（又は、所定の通常出力電圧範囲に）制御する（ステップＳ１０）。また、パワフルモードが設定されている場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータの所定の高出力電圧、例えばＤＣ６０Ｖに（又は、所定の高出力電圧範囲に）制御（ステップＳ１１）。

コントローラは、電気車輌用電源装置の動作中、図４に示した上記のモード制御処理を例えば定期的に繰り返し実行する（ステップＳ１２）。その結果、バッテリの性能劣化が防止される。オペレータは、電池の放電に伴う電気車輌の作業性能の劣化を如実に体感しなくなる。また、蓄電量が非常に低くなったところで強制的にエコノミーモードにする制御が入っていることで、電池が空近くになるまで運転を続けてしなうことによる電気車輌の突然停止を防止ことができる。

以上、本発明の各実施形態を説明したが、これらは本発明の説明のための例示であり、これらの実施形態のみに本発明の範囲を限定する趣旨ではない。従って、本発明は、その要旨を逸脱することなく、他の様々な形態で実施することが可能である。

例えば、上述した実施形態において、バッテリ２を充電するための交流電源６として３相２００Ｖを用いたが、これに限定されるものではない。例えば、単相２００Ｖ、３相１００、単相１００Ｖなどの商用交流電源を使用することもできる。また、商用交流電源に限らず、自家発電機によって発電された交流電源を用いてもよい。また、図２に例示したような充電系統の整流器とＤＣ／ＤＣコンバータの構成は、単体のＡＣ／ＤＣコンバータに置き換えてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る電気車輌用電源装置の全体的な概略構成を示すブロック図。 本発明の第１の実施形態に係る電気車輌用電源装置の回路構成図。 本発明の第２の実施形態に係る電気車輌用電源装置の回路構成図。 本発明の第３の実施形態に係る電気車両用電源装置の、特に、バッテリ電力を変換するためのＤＣ／ＤＣコンバータの部分を詳細に示した回路構成図。 本発明の実施形態においてコントローラがバッテリ電圧に応じて出力モード変更を行う処理の流れを示すフローチャート。

符号の説明

２，２１，２３，３１，３２ シール型バッテリ
５，２７ モータ
６ 交流電源
７ 漏電遮断器
８ コネクタ
１０，１０´ 電気車輌用電源装置
１１ 充電スイッチ
１２ 整流器
１３ 降圧／昇圧器
１４，２２，２４，３４ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１５，２５ コンデンサ
１６ ドライバスイッチ
１７，２６ モータドライバ
１８，２８，３８ コントローラ
１９ 絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ

Claims (3)

1. 特定の電池容量をもつシール型バッテリユニットを複数個直列に接続して構成された充電式のバッテリ（２、２１、２３、３１、３２）と、
   前記バッテリ（２、２１、２３、３１、３２）の出力電圧を入力し、入力電圧を降圧して出力する電流制御型のＤＣ／ＤＣコンバータ（１４、２２、２４、３４）と、
   負荷回路（２０）に所望の電力が供給されるよう前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（１４、２２、２４、３４）の出力電圧を制御するコントローラと
   を備えた電気車輌用電源装置。
2. 前記バッテリ（２１、２３）と前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（２２、２４）の組を並列又は直列に複数組備えた請求項１記載の電気車輌用電源装置。
3. 前記コントローラが、前記バッテリの充電状態を検出し、検出された充電状態に応じて前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（１４、２２、２４、３４）の出力電圧又は出力電流を制御する請求項１に記載の電気車輌用電源装置。

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