JP3612572B2 - Motor drive power supply - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ駆動用電源装置、特に、電気自動車、電気スクータ、電気自転車等の動力用モータを駆動するのに適した電源装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
電気自動車、電気スクータ、電気自転車用の動力用モータを駆動する電源装置としては、電池及びコンデンサを並列接続し、この並列回路からの出力を電力変換器を介してモータに供給するハイブリッド電源装置が従来から多数提案されている。この場合、モータの負荷変動に応じて、コンデンサは、短時間ながら大電力をモータに供給する機能を果たし、電池は、小電力ながら長時間にわたって平均電力をモータへ供給する機能を果たす。これは、電池へのピーク負荷を減らし、電池の寿命を延長すると共に、実質的に容量を拡大するためである。
【0003】
かかる従来のモータ駆動用電源装置の一例を図2に示す。高電圧を発生するために直列接続された複数個の電池のグループ10と、直列接続された複数個のコンデンサのグループ12とは、マイナス(−)側が共通電位となり、プラス(+)側が電流制御回路14を介して並列接続されている。なお、電流制御回路14は、電池グループ10から過電流が流れるのを防止するためのものであり、電池グループ10及びコンデンサ・グループ12の並列回路からの電圧は、モータ駆動回路である電力変換器16を介して直流モータ18の両端に供給される。電力変換器16は、チョッパ又はインバータであり、図示しない制御回路によりその動作が制御される。
【0004】
電力変換器16にチョッパを用いる場合の一例を図3に示す。入出力端子40及び42は、電力変換器16の左側の2つの端子に対応し、入出力端子54及び56は、電力変換器16の右側の2つの端子に対応する。端子40及び42間には、パワー・トランジスタ、絶縁ゲート・トランジスタ(IGBT)、電界効果トランジスタ(FET)などのトランジスタ44及び46のドレイン・ソース(又はコレクタ・エミッタ)が図示のように直列接続され、これらトランジスタのゲート(又はベース)が制御回路からの制御パルス信号を受ける。トランジスタ44及び46のコレクタ及びエミッタ間(又は、ドレイン及びソース間)には、ダイオード48及び50が逆極性に夫々接続され、これらダイオード48及び50の共通接続点がチョーク・コイル52を介して端子54に接続される。また、端子40及び42間には、スイッチング素子であるトランジスタの動作によって生じる電源の電圧変動を安定化させるために、電解コンデンサ41を接続する。
【0005】
モータ18を回転駆動させる力行時には、電力変換器16内のトランジスタ46が常時非導通となり、トランジスタ44が制御回路からの制御パルス信号に応じて導通及び非導通を繰り返す。よって、電力変換器16は、電池グループ10及びコンデンサ・グループ12の並列回路からの電圧を制御パルス信号の導通及び非導通の時間比、即ち、衝撃係数に応じて降圧してモータ18に供給する。また、モータ18への駆動電圧の供給を停止させる回生時には、モータ18が発電機として機能する。この間、制御回路により、電力変換器16内のトランジスタ44が常時非導通に制御され、トランジスタ46が制御回路からの制御パルス信号に応じて導通及び非導通を繰り返す。よって、電力変換器16は、モータ18が発電した電圧(回生電圧)を昇圧してコンデンサ・グループ12を充電(蓄電)する。コンデンサ・グループ12に充電したエネルギーをモータの力行時に再利用して、電源装置全体の効率を改善している。また、力行時には、制御パルス信号の衝撃係数に応じて電力変換器16の降圧の程度を制御することにより、モータの回転速度や、トルク等を制御できる。
【0006】
従来のモータ駆動用電源装置の他の例を図4に示す。図2の従来技術との相違点は、電池グループ10及びコンデンサ・グループ12のプラス側を半導体スイッチ20により、交互に高速で選択し、選択された電圧を電力変換器16に供給する点である。なお、半導体スイッチ20には、パワー・トランジスタ、絶縁ゲート・トランジスタ(IGBT)、電界効果トランジスタ(FET)などを利用でき、スイッチ制御回路22で、スイッチ20の高速切換を制御する。この従来技術も図2の場合と同様に、モータ18の力行時には、電力変換器16がスイッチ20の出力電圧を降圧してモータ18に供給する。また、モータ18の回生時には、モータ18の発電電圧を電力変換器16が昇圧し、スイッチ20を介してコンデンサ・グループ12を充電する。この充電したエネルギー(蓄電エネルギー)は、図2の従来技術と同様に、モータの力行時に再利用される。
【0007】
ところで、モータを駆動するための電力をコンデンサから得るには、コンデンサは、大容量でなければならない。しかし、大容量のコンデンサであっても、コンデンサの充電エネルギーは電池に比べると1桁以上小さいため、コンデンサに蓄積されたエネルギーを有効利用する必要がある。コンデンサの蓄電エネルギーを総て使用するということは、コンデンサの電圧がゼロになるまで使うということである。しかし、図2及び図4に示した従来技術は、コンデンサ12の電圧も用いて電力変換器16によりモータ18を駆動しているが、この駆動にはある程度以上の電圧が必要である。よって、コンデンサ12の電圧がゼロになる前に、電力変換器16及びモータ18が動作しなくなるので、コンデンサ12の蓄電エネルギーを使いきることができない。これは、コンデンサ12の端子に昇圧回路を設けても、結局は同じであり、コンデンサ12の蓄電エネルギーを使いきることができない。
【0008】
また、大容量コンデンサの主流は、電気二重層コンデンサであるが、このコンデンサは、電解液の電気分解を防止するために、1セル当たりの電圧を1〜5ボルト程度にしかできない。よって、モータを駆動するためには、モータが必要とする電圧まで高くしなければならないので、複数個の電気二重層コンデンサを直列接続しなければならない。しかし、各コンデンサでの電圧のバランスの問題が生じる。この問題は、直列接続した総てのコンデンサを充電した後に、コンデンサが内部抵抗により自己放電するが、この自己放電のバラツキが非常に大きいことに起因する。このため、時間経過に伴って、あるコンデンサでは、その電圧がゼロ・ボルトになってしまう。この状態では、放電すると、ゼロ・ボルトのコンデンサが下限を守れなくなり、また、充電すると、別のコンデンサが上限を守れなくなるので、充電及び放電ができなくなってしまう。
【0009】
そこで、上述のコンデンサの蓄電エネルギーを使いきれないという問題と、複数のコンデンサを直列接続した場合の問題を解決するために、特願平7−174843号にて、図5に示すモータ駆動用電源装置が提案された。この電源装置では、モータ18の力行時に、第1電力変換器28が、電池26及びコンデンサ24の直列回路の電圧を降圧して、モータ18に駆動電圧を供給する。また、モータ18の回生時には、第2電力変換器32が、モータ18からの発電電圧を受けて降圧し、コンデンサ24に充電電圧を供給する。なお、電力変換器28及び32の降圧動作は、制御回路34からの制御パルス信号により制御する。また、コンデンサ24の両端には、極性反転防止用ダイオード36が接続されている。モータ18の力行時にコンデンサ24の放電が進むと充電電圧が低下し、ついには蓄電量がゼロになると極性が反転してしまうが、このダイオード36は、コンデンサ24の極性が反転しようとすると導通して、この極性反転を防止する。しかし、コンデンサ24の極性が反転しない期間中は、ダイオード36は非導通なので、電源装置の動作に影響しない。
【0010】
この図5に示すモータ駆動用電源装置によれば、コンデンサ24及び電池グループ26を直列接続しているので、コンデンサ24の蓄電電圧が低下しても、直列回路全体の電圧は電力変換器28及びモータ18を駆動するのに十分な程高く、モータ18の力行時にコンデンサ24の蓄電エネルギーを完全にゼロになるまで使用できる。また、コンデンサ24の電圧が電池グループ26の電圧のように高い必要がなく、低くてもよいので、多数のコンデンサを直列接続する必要がない。よって、コンデンサの電圧のバランスの問題が小さくなり、大容量のコンデンサを低電圧仕様のまま使える。よって、コンデンサ24として、安価な電気二重層コンデンサを使用できる。
【0011】
なお、第1電力変換器28及び第2電力変換器32は、図2及び図4の電力変換器16と異なり、一方向の降圧による電力変換を行う。これら第1及び第2電力変換器の夫々がチョッパ回路及びDC/DCコンバータの一方であるか、又は第1電力変換器がインバータで、第2電力変換器がAC/DCインバータである。一例として、チョッパの場合を図6に示す。この図6において、入力端58及び出力端68の間に、上述のトランジスタ44又は46と同様なトランジスタ62と、チョーク・コイル66の直列回路を接続し、これらトランジスタ62及びコイル66の共通接続点と、入力端60及び出力端70との間にダイオード64を接続する。トランジスタ62のゲート(又はベース)を制御回路34からの制御パルス信号により制御して、このトランジスタ62を交互に導通及び非導通として、制御パルス信号の衝撃係数に応じて、入力端58及び60間の電圧を降圧して、出力端68及び70間に出力する。なお、端子58及び59間には、スイッチング素子であるトランジスタの動作によって生じる電源の電圧変動を安定化させるために、電解コンデンサ59を接続する。
【0012】
【本発明が解決しようとする課題】
ところで、電気自動車、電気スクータ、電気自転車等の動力用モータと、その電力変換器とは、これらが組合わさったときに最高性能を発揮するように設計され、予め調整(マッチング又はチューニング)されて市販されているものがある。かかる市販の組み合わせを利用すれば、再設計や再調整の手間がなく、最高性能が得られる。この市販の組み合わせを図5に示す電源装置に適用した場合、組み合わせの電力変換器を第1電力変換器28として用いることになる。しかし、モータ18と第1電力変換器28との共通接続点に第2電力変換器32が接続されているため、この第2電力変換器32の存在により、予め設定されていたモータ18及び第1電力変換器28のマッチングが崩れてしまい、最高性能で動作させることができなくなる。よって、図5の電源装置において、最高性能を発揮させるためには、第1電力変換器28、第2電力変換器32及びモータ18の組み合わせを考慮して、第1及び第2電力変換器を新たに設計したり、調整をしなければならず、市販の組み合わせをそのまま利用できなくなる。新たな設計及び調整のため、電源装置全体が高価になると共に、新規開発が長引くという問題点が生じる。
【0013】
また、図5に示す電源装置では、モータ18を止めたままでは、第1電力変換器28及び第2電力変換器32を介して、電池グループ26によりコンデンサ24を充電できない。これは、第1及び第2電力変換器28及び32を同時に動作させてしまうと、電池グループ26が短絡されてしまうためである。一方、かかるモータ駆動用電源装置のコンデンサ24を、電気自動車などのスタート前、即ち、モータ18が停止している状態で満充電しておくと、電気自動車などの加速に備えることができ、有効である。
【0014】
したがって、本発明の目的は、モータの力行時にコンデンサの蓄電エネルギーを完全にゼロになるまで使用できると共に、大容量のコンデンサを低電圧仕様のまま使えるばかりでなく、予め最適にマッチングされた市販のモータ及び電力変換器の組み合わせをそのまま利用できるモータ駆動用電源装置を提供することである。
【0015】
また、本発明の別の目的は、モータの停止状態でもコンデンサを充電可能なモータ駆動用電源装置を提供することである。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明のモータ駆動用電源装置は、電池26及びコンデンサ24の直列回路と;第1入出力端が直列回路の両端にスイッチ回路72を介して結合され、第2入出力端がモータ18に結合された第1電力変換器16と;入力端がスイッチ回路72及び第1電力変換器16の共通接続点に結合され、出力端が直列回路の電池26及びコンデンサ24の共通接続点に結合された第2電力変換器32と;スイッチ回路72の開閉を制御する制御回路73とを具えている。第1入出力端がスイッチ回路72と電気的に直接接続されており、モータ18の力行時に、制御回路73はスイッチ回路72を閉じて導通状態を維持し、直列回路からの電力をスイッチ回路72及び第1電力変換器16を介してモータ18に供給する。また、モータ18の回生時に、制御回路73はスイッチ回路72を開いて(非導通にして)、モータ18の発電電圧(回生電圧)が第1電力変換器16及び第2電力変換器32を介してコンデンサ24を充電する。なお、制御回路73は、モータ18の力行時に第2電力変換器32が動作を停止するように制御するし、モータ18の停止期間中に、スイッチ回路72及び第2電力変換器32を制御して、電池26によりコンデンサ24を充電できるようにする。
【0017】
また、第1電力変換器16は、直列回路からモータ18の方向に降圧動作を行い、モータ18から直列回路の方向に昇圧動作又は整流動作を行うチョッパ回路又はインバータ回路であり、第2電力変換器32は、第1電力変換器からコンデンサ24の方向に降圧動作を行うチョッパ回路又はDC/DCコンバータ回路である。
【0018】
【発明の実施の形態及び実施例】
図1は、本発明のモータ駆動用電源装置の好適な実施例のブロック図である。例えば、一般的な大容量コンデンサである1個の電気二重層コンデンサ24と、例えば、蓄電池である複数の電池26を直列接続し、直列回路とする。この直列回路の電池グループ26のコンデンサ24の反対端(プラス端)は、半導体スイッチ回路72を介して、第1電力変換器16の左側の入出力端の一方(上側)に結合し、コンデンサ24のマイナス端は、第1電力変換器16の左側の入出力端の他方(下側)に結合する。スイッチ回路72のスイッチ素子は、例えば、リレー、コンタクター、パワー・トランジスタ、絶縁ゲート・トランジスタ(IGBT)、電界効果トランジスタ(FET)である。また、このスイッチ回路72の開閉は、制御回路73からの制御信号により制御する。コンデンサ24及び電池グループ26の共通接続点と、第1電力変換器16及びスイッチ回路72の共通接続点との間には、第2電力変換器32を挿入する。また、コンデンサ24の両端には、極性反転防止用のバイパス・ダイオード36を結合する。第1電力変換器16の右側の1対の入出力端の間に、モータ30を結合する。制御回路73は、電力変換器16及び32の動作も制御する。なお、第1電力変換器16及びモータ18の接続間に他の回路、例えば、第2電力変換器32が接続されていないので、第1電力変換器16及びモータ18の予め設定された最適な組み合わせを、マッチングを崩すことなく、そのまま利用できる点に留意されたい。
【0019】
第1電力変換器16は、モータ18の力行時に、コンデンサ24及び電池グループ26からの電圧を降圧してモータ18に供給すると共に、モータ18の回生時に、モータ18の発電電圧(回生電圧)を昇圧するか整流して、第2電力変換器32に供給する双方向性のチョッパ又はインバータである。第1電力変換器16がチョッパの場合、図3に示す回路を利用できる。この場合、端子40がスイッチ回路72及び第2電力変換器32の共通接続点に接続され、端子42がコンデンサ24のマイナス端に接続され、端子54及び56の間にモータ18が接続される。トランジスタ44及び46のゲート(又はエミッタ)は、制御回路73からの制御パルス信号を受ける。
【0020】
第2電力変換器32は、モータ18の回生時に、第1電力変換器16を介して、モータ18の発電電圧を降圧して、コンデンサ24に供給する単方向性のチョッパ又はDC/DCコンバータである。第2電力変換器32がチョッパの場合、図6に示す回路を利用できる。この場合、端子58がスイッチ回路72及び第1電力変換器16の共通接続点に接続され、端子68がコンデンサ24のプラス端に接続され、端子60及び70が基準電位、例えば、コンデンサ24のマイナス端に接続される。トランジスタ62のゲート(又はエミッタ)は、制御回路73からの制御パルス信号を受ける。
【0021】
第1電力変換器16、第2電力変換器32及び制御回路73の動作電力は、電池26、又は電池26及びコンデンサ24の直列回路から直接得てもよいし、電池26又は直列回路の出力をDC/DCコンバータを介して得てもよい。また、電池26とは別の補助電源を設けて、そこから得てもよい。さらに、第1電力変換器16の力行電力から得たり、第2電力変換器32の回生電力から得てもよい。なお、第1電力変換器16が、チョッパ又はインバータの何れの場合にも、これらチョッパ又はインバータ用の電源電圧がモータ18の起電力よりも高いと、スイッチング素子(トランジスタ)の導通及び非導通の時間比(衝撃係数)を調整することによって、昇圧での回生電力制御が可能である。しかし、モータ18の起電力よりも電源電圧が低いときには、チョッパ又はインバータが単なる整流器として作用するだけで、回生電力の制御が不能となるが、第2電力変換器32が回生電力を制御してコンデンサ24を充電できるので問題ない。
【0022】
本発明のモータ駆動用電源装置が電気自動車に使用されている場合、制御回路73は、アクセル74、ブレーキ76及びクラッチ78の状態に応じて、電力変換器16及び32に導通/非導通の制御信号を供給すると共に、スイッチ回路72に開閉制御信号を供給する回路であり、例えば、マイクロプロセッサ・システムにより構成できる。すなわち、制御回路73は、クラッチ78が結合している状態で、回生状態及び力行状態のいずれかであると判断する。この状態で、アクセル74がオンで且つブレーキ76がオフであると、力行状態であると判断し、その他の場合、即ち、アクセル74及びブレーキ76が共にオフである場合か、アクセル74に関係なくブレーキ76がオンである場合は、回生状態であると判断する。制御回路73は、この判断に応じて、適切な制御信号を発生する。
【0023】
次に、図1の実施例の動作を更に説明する。モータ18が力行状態であると制御回路73が判断すると、この制御回路73は、スイッチ回路72を閉じ(導通状態にし)、また、トランジスタ62を非導通に維持して、第2電力変換器32の動作を停止させる。コンデンサ24が電気エネルギーによりある電圧まで充電されていると、コンデンサ24の電圧及び電池グループ26の電圧が加算されて、この加算された電圧が第1電力変換器16により降圧されて、直流モータ18に供給される。よって、コンデンサ24及び電池グループ26からの電流が、スイッチ回路72、第1電力変換器16及びモータ18を介してコンデンサ24に戻り、閉回路が形成され、モータ18が回転する。
【0024】
この際、大電力が必要な場合に、コンデンサ24の電気エネルギーが電力供給を助ける。また、制御回路73は、アクセル74の状態及びモータ18に供給される電圧(この電圧を監視する接続線は、図示を省略してある)との関係から制御パルス信号の衝撃係数を制御して、第1電力変換器16のトランジスタを導通及び非導通させる。導通のときのみ入力電圧をモータ18に通過させるので、パルス信号の衝撃係数を制御することにより、降圧の割合を制御できる(即ち、導通時に通過した電気エネルギーの全時間に対する平均値がモータ18へ供給される電圧に対応する)。この制御により、運転者が希望するように、モータ18の回転状態を制御できる。この際、コンデンサ24及び電池グループ26は直列接続なので、コンデンサ24の電圧が順次低下していっても、電池グループ26の上端の電圧は、常に少なくとも電池の電圧だけは十分にあるので、コンデンサ24の電圧がゼロになるまで、このコンデンサ24の電気エネルギーを利用できる。ところで、モータ18の力行時には、大容量コンデンサ24の放電が進むにつれて、充電電圧が低下し、蓄電量がゼロになると、極性が反転してしまう。ダイオード36は、コンデンサ24の極性が反転しようとすると導通して、この極性反転を防止する。コンデンサ24の極性が反転しない期間中は、ダイオード36は非導通なので、図1の装置の動作に影響しない。
【0025】
モータ18が回生状態であると制御回路73が判断すると、この制御回路73は、スイッチ回路72を開き(非導通状態にし)、また、トランジスタ62を適切な衝撃係数で繰り返し導通及び非導通にして、第2電力変換器32を動作させる。スイッチ回路72が非導通なので、コンデンサ24及び電池グループ26からの電圧が第1電力変換器16を通過せず、モータ18に駆動電圧が供給されない。よって、モータ18は、発電機として機能し、発電電圧、即ち、回生電圧を発生する。この回生電圧は、第1電力変換器16及び第2電力変換器32を介してコンデンサ24に供給され、このコンデンサ24を充電する。この充電電圧が、モータの力行時に再利用される。
【0026】
ところで、第2電力変換器32がない場合には、回生方向が、モータ18から第1電力変換器16を介してコンデンサ24となるが、コンデンサ24の電圧が低下すると、回生時のモータ18の起電力の方が高くなってしまい、上述のように、回生制御ができなくなる。第2電力変換器32は、回生制御不能を防止するために設置した降圧変換器であり、モータの起電力にかかわらず制御不能状態にはならない。第1電力変換器16で整流(制御不能状態にある)した後、第2電力変換器32で降圧(制御可能状態にある)してもよいし、第1電力変換器16で昇圧(制御可能状態にある)した後、第2電力変換器32で降圧(制御可能状態にある)してもよい。この場合、制御回路73は、第1電力変換器16及び第2電力変換器32の夫々の出力(電圧、電流)を監視して、これら電力変換器を制御する必要がある。これは次の理由による。すなわち、第1電力変換器16が制御不可能となるか制御可能となるかは、電力変換器16内に設けられた電解コンデンサの電圧に依存する。一方、制御回路73は、第1電力変換器16が取り込む電力と、第2電力変換器32が取り出す電力を調整して、電解コンデンサの端子電圧を管理する。
【0027】
制御回路73が、アクセル74、ブレーキ76及びクラッチ78の状態に応じて、力行でも回生でもないと判断したときは、第1電力変換器16及び第2電力変換器32の動作を停止させる。また、モータ18の停止中、例えば、電気自動車のスタート前に、電池26によりコンデンサ24を充電するには、スイッチ回路72と閉じ(導通にし)、第1電力変換器16の動作を停止させ、第2電力変換器32を適当な衝撃係数で動作させる。なお、この場合、第2電力変換器32は、電池グループ26がショートするのを防止するために、入力端及び出力端間が絶縁された構成でなければならない。
【0028】
本発明の好適な実施例について上述したが、当業者には、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の変形及び変更が可能である。例えば、モータは実施例で説明したもの(DCモータ)以外にも、DCブラシレスモータ、交流誘導モータ、交流同期モータでもよく、また、単相モータでも3相モータでもよい。第1電力変換器には、これらのモータに対応したチョッパまたはインバータを、第2変換器には、チョッパまたはDC/DCコンバータを使用することができる。コンデンサとしては、複数のコンデンサを並列接続したものを用いてもよい。さらに、1個のコンデンサの代わりに、少数のコンデンサを直列接続して用いてもよい。なお、少数のコンデンサを直列接続する場合、各コンデンサの電圧のバラツキは、多数のコンデンサの直列接続の場合よりも少ないので、さほど問題にならない。
【0029】
【本発明が奏する効果】
上述の如く、本発明のモータ駆動用電源装置によれば、コンデンサ及び電池が直列接続されているので、モータの力行時にコンデンサの蓄電エネルギーを完全にゼロになるまで使用できる。電池にコンデンサを直列接続して放電すると、電池単独の場合よりもコンデンサのぶんだけ電圧を高くすることができる。ここで、第1の電力変換器に供給される電力が同じであれば電圧が高くなったぶんだけ、電池の放電電流、即ち負荷を減らすことができる。また、このため、大容量のコンデンサを低電圧仕様のまま使えるので、安価な電気2重層コンデンサを使用できる。さらに、第1電力変換器及びモータの間に別の回路が接続されていないので、予め最適にマッチングされた市販のモータ及び電力変換器の組み合わせをそのまま利用できる。また、第2電力変換器が入力端及び出力端間が絶縁された構成の場合、スイッチ回路及び第2電力変換器を介して、電池によりコンデンサを充電できるので、モータの停止状態でもコンデンサを充電できる。電気自動車が市街地を走行する場合には、加速(力行)と減速(回生)が適宜繰り返され、コンデンサも加減速に合わせて放電(力行)と充電(回生)が繰り返される。したがって、コンデンサは走行状態を反映した電圧域を保つことになり、力行時に電池の負荷を低減する効果も持続する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のモータ駆動用電源装置の好適な一実施例のブロック図である。
【図2】従来のモータ駆動用電源装置の一例のブロック図である。
【図3】電力変換器の一例の回路図である。
【図4】従来のモータ駆動用電源装置の他の例のブロック図である。
【図5】従来のモータ駆動用電源装置の更に他の例のブロック図である。
【図6】電力変換器の他の例の回路図である。
【符号の説明】
16 第1電力変換器
18 モータ
24 コンデンサ
26 電池
32 第2電力変換器
36 ダイオード
72 スイッチ回路
73 制御回路
74 アクセル
76 ブレーキ
78 クラッチ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a motor drive power supply device, and more particularly to a power supply device suitable for driving a power motor such as an electric vehicle, an electric scooter, and an electric bicycle.
[0002]
[Prior art]
As a power supply device for driving a power motor for electric vehicles, electric scooters, and electric bicycles, there is a hybrid power supply device in which a battery and a capacitor are connected in parallel and an output from this parallel circuit is supplied to the motor via a power converter. Many proposals have been made. In this case, the capacitor functions to supply a large amount of power to the motor in a short time according to the load fluctuation of the motor, and the battery functions to supply the average power to the motor for a long time with a small amount of power. This is to reduce the peak load on the battery, extend the battery life, and substantially increase the capacity.
[0003]
An example of such a conventional motor driving power supply is shown in FIG. A plurality of
[0004]
An example of using a chopper for the
[0005]
During powering to drive the
[0006]
Another example of a conventional motor driving power supply is shown in FIG. The difference from the prior art of FIG. 2 is that the positive side of the
[0007]
By the way, in order to obtain electric power for driving the motor from the capacitor, the capacitor must have a large capacity. However, even with a large-capacity capacitor, the charging energy of the capacitor is one digit or more smaller than that of the battery, so it is necessary to effectively use the energy stored in the capacitor. Using all the energy stored in the capacitor means using it until the voltage on the capacitor reaches zero. However, in the prior art shown in FIGS. 2 and 4, the
[0008]
The mainstream of large-capacity capacitors is an electric double layer capacitor, but this capacitor can only have a voltage per cell of about 1 to 5 volts in order to prevent electrolysis of the electrolyte. Therefore, in order to drive the motor, it is necessary to increase the voltage required by the motor, and thus a plurality of electric double layer capacitors must be connected in series. However, there arises a problem of voltage balance in each capacitor. This problem is caused by the fact that the capacitors self-discharge due to the internal resistance after all the capacitors connected in series are charged, and the variation in self-discharge is very large. For this reason, with the passage of time, the voltage of a certain capacitor becomes zero volts. In this state, when discharged, the zero-volt capacitor cannot keep the lower limit, and when charged, another capacitor cannot keep the upper limit, and charging and discharging cannot be performed.
[0009]
Therefore, in order to solve the above problem that the stored energy of the capacitor cannot be used and the problem when a plurality of capacitors are connected in series, Japanese Patent Application No. 7-174743 discloses a motor driving power source shown in FIG. A device was proposed. In this power supply device, when the
[0010]
According to the motor drive power supply device shown in FIG. 5, since the
[0011]
Unlike the
[0012]
[Problems to be solved by the present invention]
By the way, power motors for electric vehicles, electric scooters, electric bicycles, and the like, and their power converters are designed and fully adjusted (matched or tuned) in advance so that they perform best when they are combined. Some are on the market. If such a commercially available combination is used, the highest performance can be obtained without the need for redesign and readjustment. When this commercially available combination is applied to the power supply device shown in FIG. 5, the combined power converter is used as the
[0013]
5, the
[0014]
Therefore, the object of the present invention is that not only can the stored energy of the capacitor be completely zero during powering of the motor, but also a large-capacity capacitor can be used with a low voltage specification, and a commercially available optimally matched in advance. It is an object of the present invention to provide a motor driving power supply device that can use a combination of a motor and a power converter as it is.
[0015]
Another object of the present invention is to provide a motor drive power supply device that can charge a capacitor even when the motor is stopped.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In the motor drive power supply device of the present invention, a
[0017]
The
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram of a preferred embodiment of a motor drive power supply device of the present invention. For example, one electric
[0019]
The
[0020]
The
[0021]
The operating power of the
[0022]
When the motor drive power supply device of the present invention is used in an electric vehicle, the
[0023]
Next, the operation of the embodiment of FIG. 1 will be further described. When the
[0024]
At this time, when a large amount of power is required, the electric energy of the
[0025]
When the
[0026]
By the way, when there is no
[0027]
When the
[0028]
Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, various modifications and changes can be made by those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. For example, the motor may be a DC brushless motor, an AC induction motor, an AC synchronous motor, or a single-phase motor or a three-phase motor other than those described in the embodiments (DC motor). A chopper or an inverter corresponding to these motors can be used for the first power converter, and a chopper or a DC / DC converter can be used for the second converter. As the capacitor, a capacitor in which a plurality of capacitors are connected in parallel may be used. Further, a small number of capacitors may be connected in series instead of one capacitor. Note that when a small number of capacitors are connected in series, the variation in the voltage of each capacitor is less than in the case of a large number of capacitors connected in series.
[0029]
[Effects of the present invention]
As described above, according to the motor driving power supply device of the present invention, since the capacitor and the battery are connected in series, the power storage energy of the capacitor can be used until it becomes completely zero when the motor is powered. When a battery is connected in series with a capacitor and discharged, the voltage can be increased by the amount of the capacitor compared to the case of the battery alone. Here, if the power supplied to the first power converter is the same, the discharge current of the battery, that is, the load can be reduced as much as the voltage increases. For this reason, since a large-capacity capacitor can be used with a low voltage specification, an inexpensive electric double layer capacitor can be used. Furthermore, since another circuit is not connected between the first power converter and the motor, a combination of a commercially available motor and power converter that are optimally matched in advance can be used as they are. In addition, when the second power converter has a configuration in which the input end and the output end are insulated, the capacitor can be charged by the battery via the switch circuit and the second power converter, so the capacitor is charged even when the motor is stopped. it can. When the electric vehicle travels in an urban area, acceleration (power running) and deceleration (regeneration) are repeated as appropriate, and the capacitor is repeatedly discharged (power running) and charged (regeneration) according to acceleration and deceleration. Therefore, the capacitor maintains a voltage range reflecting the running state, and the effect of reducing the load on the battery during power running is also maintained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a preferred embodiment of a power supply apparatus for driving a motor according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram of an example of a conventional motor driving power supply device.
FIG. 3 is a circuit diagram of an example of a power converter.
FIG. 4 is a block diagram of another example of a conventional motor driving power supply device.
FIG. 5 is a block diagram of still another example of a conventional motor driving power supply device.
FIG. 6 is a circuit diagram of another example of the power converter.
[Explanation of symbols]
16 First power converter
18 Motor
24 capacitors
26 batteries
32 Second power converter
36 diodes
72 Switch circuit
73 Control circuit
74 Accelerator
76 Brake
78 Clutch
Claims (5)
第1入出力端が上記直列回路の両端にスイッチ回路を介して結合され、第2入出力端がモータに結合された第1電力変換器と、
入力端が上記スイッチ回路及び上記第1電力変換器の共通接続点に結合され、出力端が上記直列回路の上記電池及び上記コンデンサの共通接続点に結合された第2電力変換器と、
上記スイッチ回路の開閉を制御する制御回路とを具え、
上記第1入出力端が上記スイッチ回路に電気的に直接接続されており、
上記モータの力行時には、上記制御回路は上記スイッチ回路を閉じて導通状態を維持し、上記直列回路からの電力を上記スイッチ回路及び上記第1電力変換器を介して上記モータに供給し、
上記モータの回生時には、上記制御回路は上記スイッチ回路を開いて、上記モータの発電電力が上記第1電力変換器及び上記第2電力変換器を介して上記コンデンサに充電されることを特徴とするモータ駆動用電源装置。A series circuit of a battery and a capacitor;
A first power converter having a first input / output terminal coupled to both ends of the series circuit via a switch circuit, and a second input / output terminal coupled to the motor;
A second power converter having an input terminal coupled to a common connection point of the switch circuit and the first power converter, and an output terminal coupled to a common connection point of the battery and the capacitor of the series circuit;
A control circuit for controlling the opening and closing of the switch circuit,
The first input / output terminal is electrically connected directly to the switch circuit;
During power running of the motor, the control circuit maintains the conductive state by closing the switch circuits, the power from the series circuit via the switch circuit and the first power converter is supplied to the motor,
During regeneration of the motor, the control circuit opens the switch circuit, and characterized in that the generated power of the motor is charged to the capacitor through a first power converter and said second power converter described above Motor drive power supply.
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