JP2002238108A - 制動回生エネルギの制御方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電気２重層コンデンサに充電された回生エネル
ギを効率良く利用することができるようにした制動回生
エネルギの制御方法及び制御装置を提供する。 【解決手段】車両の制動力を発電装置２により電気エネ
ルギに変換し走行用モータ３の電源として保存する方法
において、発電装置２からの電力を電気２重層コンデン
サ４に充電する充電モードと、電気２重層コンデンサ４
に充電された電力を車両停止時に蓄電池１へ充電する停
止充電モードと、を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は車両における制動回
生エネルギの制御方法と制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、省エネルギーの機運の高まりによ
って自動車の燃費改善が要請されている。しかし、内燃
機関の燃費改善には限界があり、またハイブリッド自動
車や電気自動車でもエネルギ変換効率には限界がある。

【０００３】そこで、自動車においても地下鉄のような
制動回生エネルギの利用が提案されている。例えば、ハ
イブリッド車のエネルギ回生装置として、発電兼用のモ
ータ（走行用モータ）から発生する制動時の電力（回生
エネルギ）を電気２重層コンデンサに充電し、充電され
た電力をリチウム電池（モータ駆動用）に充電する装置
が挙げられる。

【０００４】電気２重層コンデンサを介在して充電する
理由は、回生エネルギを直接モータ駆動用電池に充電す
る場合に問題を生ずるからである。すなわち、回生エネ
ルギは制動に伴って発生するものであるため、比較的大
電力短時間の発電エネルギであると考えられる。これを
そのままモータ駆動用電池に充電しようとしても、モー
タ駆動用電池が受け入れ可能な電力には限界があり、大
半が無駄になってしまう。これは現在のモータ駆動用電
池が化学変化を基礎として電力の蓄積と放出をする原理
になっているからである。

【０００５】そこで、制動に伴い発生した電力を、化学
変化を伴わず大電力の充電と放電とを極めて短時間で行
うことができる電気２重層コンデンサに一旦充電し、こ
れをモータ駆動用電池に充電することで能率的な電力回
収を図るようにした装置が考えられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記した従来
のものでは、電力回収効率という点ではさらなる改善の
余地がある。

【０００７】すなわち、回生エネルギを電気２重層コン
デンサに充電した段階では高い能率が得られるものの、
これをモータ駆動用電池に充電する段階では常に高い能
率で充電できるとは限らないという問題がある。これ
は、通常走行中にはモータ駆動用電池が既に充電状態に
あり（充電可能な時間あたり最大エネルギ吸収量が上限
に達している）、電力の受容（充電）が困難であるから
である。

【０００８】本発明は前記事項に鑑みなされたものであ
り、電気２重層コンデンサに充電された回生エネルギを
無駄なく利用することができるようにした制動回生エネ
ルギの制御方法及び装置を提供することを技術的課題と
する。

【０００９】さらに、モータ駆動用電池への頻繁な充放
電を抑制し、電池寿命の改善を図る制動回生エネルギの
制御方法及び装置を提供することを技術的課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は制動回生エネル
ギの制御方法であり、前述した技術的課題を解決するた
めに以下のような方法を採った。

【００１１】すなわち、車両の制動力を発電手段２によ
り電気エネルギに変換し走行用モータ３の電源として保
存する方法において、発電手段２からの電力を電気２重
層コンデンサ４に充電する充電モードと、電気２重層コ
ンデンサ４に充電された電力を車両停止時に蓄電池１へ
充電する停止充電モードと、を含んでいる。

【００１２】車両の発進時及び初期加速状態等において
電気２重層コンデンサ４に充電されている電力を優先的
に走行用モータ３に供給することで、電力の有効利用が
図られるとともに蓄電池１への無駄な充放電が抑制され
る。これは電気２重層コンデンサ４が急速で深い充放電
にも強く、これに蓄積された電力を優先して消費するこ
とで蓄電池１に対してある種のバッファとして作動させ
ることができるからである。

【００１３】また本発明は、前記した方法を実施するた
めに以下の装置を採用した。すなわち、蓄電池１を備
え、車両の制動力を発電手段２により電気エネルギに変
換し走行用モータ３の電源として保存する制御装置にお
いて、充電を制御する充電制御部５を有し、この充電制
御部５には、発電手段２と電気２重層コンデンサ４と蓄
電池１と走行用モータ３とが接続され、充電制御部５
は、発電手段２からの起電力を電気２重層コンデンサ４
に蓄積し、車両停止時に電気２重層コンデンサ４から蓄
電池１へ充電するとともに、走行負荷が大きいときに電
気２重層コンデンサ４から走行用モータ３へ電力を供給
する。

【００１４】ここで、走行負荷が大きいときとは具体的
に発進時、加速時、登坂時であるが、主に発進時に電気
２重層コンデンサ４の電力を使い切って加速を行う。そ
の後、蓄電池１からの電源供給に切り替わり走行用モー
タ３への電源供給を継続する。

【００１５】電気２重層コンデンサは、２枚の集電体を
向かい合わせて設け、夫々の対向する面に活性炭電極層
を形成し、夫々の活性炭電極層間を電解液で満たした構
造となっている。

【００１６】そして、２枚の集電体に電源（回生エネル
ギを発生する発電機）を接続すると活性炭電極は夫々電
源の極性に帯電する。すると、電解液中の電子が正極側
に集まり充電状態となる。この電気２重層コンデンサは
電池として作用するが、蓄電に化学変化を伴わないため
高速充放電が可能であり、その回数は数十万回以上の耐
久性がある。

【００１７】しかも電気二重層コンデンサは、（１）大
電流の深い充放電（ディープサイクル）が可能なため、
能率が極めて高い、（２）主材料が無害な炭素であり、
有害な鉛やカドミウムを使用しないため環境への影響が
少ない、（３）端子電圧が残容量を正確に反映するため
電池残量の把握が容易である、（４）使用温度範囲は摂
氏マイナス２０度から７０度と広い、という特徴があ
る。

【００１８】電気二重層コンデンサの電池特性は現在の
ところ、体積エネルギ密度が６．５Ｗｈ／Ｌ、質量エネ
ルギ密度が４．３ｗｈ／ｋｇのものがあるが、日々向上
している。

【００１９】なお、電気２重層コンデンサは電解液の違
いにより、水溶液系と有機溶液系の２つの形式がある。
水溶液系は（ａ）イオン移動度が高く大電流充放電に適
している、（ｂ）大気中で安定している、（ｃ）不燃性
である、（ｄ）製造コストが安い、等の特徴がある。

【００２０】一方、有機溶液系は（Ａ）耐電圧が高い、
（Ｂ）小型で高エネルギー密度が得られる、（Ｃ）セル
に金属を使用することができる、（Ｄ）使用温度範囲が
広い、（Ｅ）抵抗率が高い、という特徴がある。

【００２１】これらの特性を回生エネルギの回収用電池
として考察すると、急激に立ち上がる回生エネルギを１
００％電気エネルギとして回収することができるという
利点がある。

【００２２】そして前記したように、この電気２重層コ
ンデンサの電力を先に放電するため、リチウムやニッケ
ルカドミウムなどの蓄電池（主電池）への頻繁な充放電
が少なくなり主電池の寿命も伸びる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の制動回生エネルギ
の制御装置を図１〜図６に示される実施形態について更
に詳細に説明する。なお、制御方法については装置の動
作説明とともに説明する。

【００２４】図１は装置のブロック図を示しており、本
装置は電気自動車に搭載されている。蓄電池１は大容量
のリチウム電池であり、充電制御部５に接続されてい
る。充電制御部５はマイクロプロセッサ５ａ、Ｉ／Ｏ５
ｂ、ＲＡＭ(random access memory)５ｃ、ＲＯＭ(read
only memory)５ｄ、電力制御ユニット５ｅから構成され
ている。

【００２５】前記蓄電池１は電力制御ユニット５ｅに接
続されている。この電力制御ユニット５ｅには発電装置
（発電手段）２を備えた走行用モータ３、電気２重層コ
ンデンサ４が接続されている。充電制御部５は、車速信
号、アクセルペダル操作信号、電気２重層コンデンサ４
と蓄電池１の夫々の電圧情報、並びに、発電装置２と走
行用モータ３からの夫々の出力情報に基づいて、蓄電池
１、電気２重層コンデンサ４、発電装置２を備えた走行
用モータ３の接続関係をスイッチングするものである。

【００２６】このスイッチングモードを図３〜図６によ
り説明する。まず、車両の定常走行モードにおいては図
３の矢示（電力の流れ）に示すように、蓄電池１から充
電制御部５を介して、発電装置２を備えた走行用モータ
３に電力が供給され、車輪７を回転させるようになって
いる。

【００２７】ここで、ブレーキをかけると図４に示す回
生制動モードとなり、発電装置２を備えた走行用モータ
３から充電制御部５を介して、電気２重層コンデンサ４
に充電される。

【００２８】そして、車両が停止すると図５に示す停車
充電モードとなり、電気２重層コンデンサ４から蓄電池
１へ充電される。また、電気２重層コンデンサ４の電力
を車両の発進に用いるモードが図６に示す発進走行モー
ドである。このモードは、電気２重層コンデンサ４の電
力を優先して使用するものである。

【００２９】図２は、以上述べた各モードにおける電力
収支を説明するためのタイムチャートである。図２にお
いて車両の発進時（Ａ１）には蓄電池１は放電状態（Ｃ
１）、走行用モータ３は駆動状態（Ｂ１）となってい
る。すなわち、走行用モータ３は、充電制御部５の制御
により、蓄電池１からの電力によりモータを駆動して車
輪を回転させて、車両を発進させる。なお、このとき、
電気２重層コンデンサ４の蓄電量はないものとする。

【００３０】車両走行中にブレーキをかけると（Ａ
２）、蓄電池１から走行用モータ３への電力供給が停止
（Ｃ２）されると共に、発電装置２は発電を開始し（Ｂ
２）、この発電された電力は電気２重層コンデンサ４に
充電（Ｄ１）される。そして、車両の停止中（Ａ３）
に、電気２重層コンデンサ４の電力が蓄電池１に充電さ
れる（Ｃ３、Ｄ２）。このとき、蓄電池１の蓄電容量を
越えて充電しきれない電気エネルギは、電気２重層コン
デンサ４に充電されたままとなる。また、電気２重層コ
ンデンサ４から蓄電池１への充電中に運転者が発進操作
を行い、充電が中断されて電気２重層コンデンサ４に電
気エネルギが残る場合もある。

【００３１】次に車両が発進したとき（Ａ４）、充電制
御部５は、車両の発進時及び初期走行時においては、走
行用モータ３を、電気２重層コンデンサ４の電力のみで
駆動する（Ｂ３、Ｄ３）。

【００３２】そして、電気２重層コンデンサ４の電力を
使い切った場合は、蓄電池１からの電力に切り替えて
（Ｃ４）、走行用モータ３を駆動する。また、アクセル
ペダル操作量に基づき充電制御部５にて判断された、運
転者の要求する加速度あるいは走行速度に、電気２重層
コンデンサ４の電力のみでは対応できなくなった場合に
も、蓄電池１からの電力に切り替えて、走行用モータ３
を駆動する。

【００３３】走行中に再びブレーキ操作が行われると
（Ａ５）、走行用モータ３は停止すると共に発電装置２
が発電し（Ｂ４）、電気２重層コンデンサ４に充電がな
される（Ｄ４）。

【００３４】そして、車両走行に伴いこのようなサイク
ルを繰り返し、効率の良いエネルギ回生を行う。なお、
車両停止時に電気２重層コンデンサ４から蓄電池１に充
電するにあたって、蓄電池１の蓄電量にかかわらず、所
定の電力を電気２重層コンデンサ４に残すようにしても
よい。電気２重層コンデンサ４に残す前記所定電力は、
発進時及び初期走行時に必然的に使用する電力に基づき
設定するとよい。

【００３５】以上のように本実施形態にて説明した制動
回生エネルギの制御方法及び制御装置によれば、エネル
ギ回生モードでは蓄電池１に充電しきれない回生エネル
ギを、時間当たりの充電能力が高い電気２重層コンデン
サ４に充電するので、回生エネルギを無駄なく全量蓄積
することが可能となる。

【００３６】また、車両の発進及び初期走行時において
は、電気２重層コンデンサ４からの電力により走行用モ
ータ３を駆動するので、電気２重層コンデンサ４を優先
して放電させるものである。このため、回生エネルギの
発生前（発進後最初のブレーキ操作前）に、電気２重層
コンデンサ４の充電残量を可能な限り少なくして、制動
回生時の電気２重層コンデンサ４への充電容量を高めて
おくことができる。

【００３７】この結果、必ずしも充電効率の良くない蓄
電池１への充電頻度を少なくすることもでき、装置全体
のエネルギ効率及び蓄電池１の寿命を向上させることが
できる。なお、本装置はハイブリッド型自動車に適用す
ることもできる。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、車両停止時に、電気２
重層コンデンサに充電された回生エネルギを蓄電池に充
電するようにしたので、回生エネルギを無駄なく利用す
ることができる。また、電気２重層コンデンサに充電さ
れた回生エネルギを車両の発進時等に利用するため、モ
ータ駆動用電池への頻繁な充放電を抑制することがで
き、電池寿命の改善を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態である制動回生エネルギの
制御方法及び装置を示すブロック図である。

【図２】実施形態の制動回生エネルギの制御方法及び装
置の動作過程を示すタイムチャート図である。

【図３】実施形態の制動回生エネルギの制御方法及び装
置の定常走行モードを示す電力供給関係図である。

【図４】実施形態の制動回生エネルギの制御方法及び装
置の回生制動モードを示す電力供給関係図である。

【図５】実施形態の制動回生エネルギの制御方法及び装
置の停車充電モードを示す電力供給関係図である。

【図６】実施形態の制動回生エネルギの制御方法及び装
置の発進走行モードを示す電力供給関係図である。

【符号の説明】

１ 蓄電池 ２ 発電装置（発電手段） ３ 走行用モータ ４ 電気２重層コンデンサ ５ 充電制御部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】車両の制動力を発電手段により電気エネル
   ギに変換し走行用モータの電源として保存する方法にお
   いて、 発電手段からの電力を電気２重層コンデンサに充電する
   充電モードと、電気２重層コンデンサに充電された電力
   を車両停止時に蓄電池へ充電する停止充電モードと、を
   有する制動回生エネルギの制御方法。
2. 【請求項２】車両の発進時及び初期加速状態において電
   気２重層コンデンサに充電されている電力を優先的に走
   行用モータに供給することを特徴とする請求項１記載の
   制動回生エネルギの制御方法。
3. 【請求項３】蓄電池を備え、車両の制動力を発電手段に
   より電気エネルギに変換し走行用モータの電源として保
   存する制御装置において、 充電を制御する充電制御部を有し、この充電制御部に
   は、発電手段と電気２重層コンデンサと蓄電池と走行用
   モータとが接続され、 前記充電制御部は、発電手段からの起電力を電気２重層
   コンデンサに蓄積し、車両停止時に電気２重層コンデン
   サから蓄電池へ充電するとともに、発進及び初期走行時
   においては電気２重層コンデンサに蓄積された電力を優
   先的に走行用モータに供給することを特徴とする制動回
   生エネルギの制御装置。