JP2007159236A - 車両用電源装置および車両 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギ効率が高められた車両用電源装置を提供する。
【解決手段】車両用電源装置は、車両推進用の駆動用モータＭ１に電力を供給する主蓄電装置であるメインバッテリＢＡＴ１と、副蓄電装置である補機用バッテリＢＡＴ２と、主蓄電装置から駆動用モータＭ１に電力を供給する経路と副蓄電装置との間に設けられ、双方向の電力伝達が可能なＤＣ／ＤＣコンバータ４２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２を制御する制御装置３０とを備える。制御装置３０は、補機用バッテリＢＡＴ２の充電状態に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ４２を制御して補機用バッテリＢＡＴ２から電力供給経路に向けて放電を行なわせる。また、制御装置３０は、駆動用モータＭ１に回生電力が発生した場合に、主蓄電装置の受入可能電力に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ４２を制御して副蓄電装置に充放電を行なわせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用電源装置およびそれを搭載する車両に関する。

近年、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両を推進させるためのモータを備える自動車が身近なものになってきている。これらの自動車には、大容量バッテリと、その大容量バッテリから電力を受けてモータを駆動させるインバータ装置とが搭載されている。

特開２００４−３２０８７７号公報（特許文献１）には、補機の消費電力に応じた電力を補機系に供給し、補機系のバッテリの過充電や過放電を防止する技術について開示されている。

この技術では、補機系の低圧バッテリが良好な状態であり、補機消費電力が少ないときには、高圧電力系から補機系に電力を電圧変換して供給するＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を補機バッテリの電圧程度の低電圧として補機バッテリの電力を補機の消費電力に充てる。一方、補機系の低圧バッテリが良好な状態ではないときや補機消費電力が多いときには、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を補機バッテリの出力よりも高電圧に設定して補機バッテリの電力が消費されないようにして、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いて主として補機側の消費電力を供給する。
特開２００４−３２０８７７号公報 特開２００５−２１８２８３号公報 特開２００３−６１２０９号公報

しかしながら、特開２００４−３２０８７７号公報（特許文献１）には、補機バッテリの充電量を適切に保持するためにメインバッテリからの電力供給量を制御する旨については開示されているが、補機バッテリの充電量を適切に保つために、補機バッテリの電力を積極的に消費する概念については開示されていない。

すなわち、電気自動車やハイブリッド自動車等においては、下り坂や停止時の減速時などにおいて高圧バッテリ側に回生電力が充電される場合がある。このような場合に高圧バッテリに回生電力をすべて受入れることができず回生電力を捨てざるを得ない場合がある。

このような場合であっても回生エネルギを有効に車両内に蓄積することができれば、さらなる充電量あたりの走行距離の伸びや燃費の向上が望まれる。高圧バッテリの容量を増加させれば回生電力を多く受入れることは可能になるが、コストも上昇し車両重量も増加するので燃費の向上や経済性の向上には必ずしも結びつかない。したがって、高圧バッテリだけではなく現状搭載されている補機バッテリも有効に活用してエネルギ蓄積を行なうことが望ましい。

この発明の目的は、エネルギ効率が高められた車両用電源装置およびそれを搭載する車両を提供することである。

この発明は、要約すると、車両用電源装置であって、車両推進用の回転電機に電力を供給する主蓄電装置と、副蓄電装置と、主蓄電装置から回転電機に電力を供給する経路と副蓄電装置との間に設けられ、双方向の電力伝達が可能なＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御装置とを備える。制御装置は、副蓄電装置の充電状態に応じてＤＣ／ＤＣコンバータを制御して副蓄電装置から電力供給経路に向けて放電を行なわせる。

好ましくは、制御装置は、回転電機に回生電力が発生した場合に、主蓄電装置の受入可能電力に応じてＤＣ／ＤＣコンバータを制御して副蓄電装置に充放電を行なわせる。

より好ましくは、制御装置は、主蓄電装置の充電状態に対する主蓄電装置の受入可能電力を予め記憶されたマップから読取り、受入可能電力と回生電力との差に応じて副蓄電装置側に対する充放電量を決定する。

さらに好ましくは、制御装置は、副蓄電装置の充電状態に対する副蓄電装置の受入可能電力を予め記憶されたマップから読取り、決定された充放電量に対して副蓄電装置の受入可能電力に基づいて制限をかける。

好ましくは、副蓄電装置は、主蓄電装置の電源電圧よりも低い電源電圧で動作する補機に電力供給を行なう補機用バッテリである。

この発明は他の局面においては、上記いずれかに記載の車両用電源装置を備える車両である。

本発明によれば、車両の蓄電装置を有効に活用することにより、エネルギ効率が高められた車両用電源装置を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本発明の実施の形態に係る車両１の構成を示す回路図である。なお、車両１は、モータで車輪を駆動する電気自動車や、エンジンとモータとを車両の駆動に併用するハイブリッド自動車のいずれであってもよい。

図１を参照して、車両１は、メインバッテリＢＡＴ１と、車両の図示しない車輪を駆動するための駆動用モータＭ１と、駆動用モータＭ１を駆動するインバータ１４と、インバータに電源電圧を供給する電源線ＰＬと、インバータに接地電圧を供給する接地線ＳＬと、バッテリＢＡＴ１の正極と電源線ＰＬとを接続するリレーＲＬＹＨと、バッテリＢＡＴ１の負極と接地線ＳＬとを接続するリレーＲＬＹＬとを含む。

メインバッテリＢＡＴ１は、たとえば数百ボルトの高電圧のバッテリであり、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などのあるいは電気二重層コンデンサ等を多数直列接続したキャパシタ電池などが用いられる。

車両１は、さらに、低電圧、たとえば１２Ｖの出力電圧の補機用バッテリＢＡＴ２と、補機用バッテリＢＡＴ２から電源供給を受ける補機類４６とを含む。補機類４６は、たとえばカーナビゲーションシステムや、ヘッドランプ等を含む。補機用バッテリＢＡＴ２としては、たとえば鉛蓄電池等が用いられる。

車両１は、さらに、補機用バッテリＢＡＴ２と電源線ＰＬおよび接地線ＳＬとの間に接続され、高圧系と低圧系の間で双方向に電力を伝達可能なＤＣ／ＤＣコンバータ４２を含む。ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、電源線ＰＬ側で余剰電力が発生した場合には補機用バッテリＢＡＴ２に対して電力を伝達して充電を行なう。またＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、このような電力受入を随時可能とするために、電源線ＰＬを介してメインバッテリＢＡＴ１に電力受入が可能である場合には補機用バッテリＢＡＴ２側から電源線ＰＬ側に電力の伝達を行なう。

また、たとえば、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、補機用バッテリＢＡＴ２への回生時の電力受入を随時可能とするために、補機用バッテリＢＡＴ２が満充電にならないように、回生電力が駆動用モータＭ１で発生していないときでも予め補機用バッテリＢＡＴ２の充電状態に応じて電源線ＰＬを介して補機用バッテリＢＡＴ２側から電源線ＰＬ側に電力の伝達を行なう。

車両１は、さらに、メインバッテリＢＡＴ１のバッテリ電圧ＶＢ１を検知する電圧センサ１０と、バッテリＢＡＴ１の電流ＩＢ１を検知する電流センサ１１と、駆動用モータＭ１に流れる電流ＩＭを検知する電流センサ１２と、電源線ＰＬの電圧を検知する電圧センサ１３と、補機用バッテリＢＡＴ２のバッテリ電圧ＶＢ２を検知する電圧センサ４７と、補機用バッテリＢＡＴ２のバッテリ電流ＩＢ２を検知する電流センサ４８と、これら各センサの検知した電流および電圧を受けてインバータ１４、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２およびリレーＲＬＹＨ，ＲＬＹＬの制御を行なう制御装置３０とを含む。

制御装置３０は、インバータ１４に対して電源線ＰＬの直流電圧を駆動用モータＭ１を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示ＰＷＭＩと、駆動用モータＭ１で回生時に発電された交流電圧を直流電圧に変換して電源線ＰＬ側に戻す回生指示ＰＷＭＣとを出力する。さらに制御装置３０は、駆動用モータＭ１に回生電力が発生した場合に、メインバッテリＢＡＴ１の受入可能電力に応じてＤＣ／ＤＣコンバータを制御して補機用バッテリＢＡＴ２に充放電を行なわせる。制御装置３０は、この制御の際に用いられるマップ等を記憶するメモリ３１を含んでいる。

図２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２に対する制御装置３０の制御を簡単に説明するための具体例である。

図１、図２を参照して、駆動用モータＭ１の回生量Ｐｒがたとえば５ｋＷであったとする。このときメインバッテリＢＡＴ１の受入可能電力Ｐ１は４ｋＷであったとする。通常は、この電力の差である１ｋＷは抵抗などで熱に変換されて消費され捨てられていた。ここで、図１の双方向のＤＣ／ＤＣコンバータ４２を用いることにより捨てていた＋１ｋＷを補機用バッテリＢＡＴ２への充電電力Ｂ２として充電を行なえば捨てていた電力が回収できて、電気自動車の場合は１回の充電当りの走行距離が延び、またハイブリッド自動車の場合は燃費が向上する。

しかしながらこのような補機用バッテリＢＡＴ２に対する充電は、補機用バッテリＢＡＴ２が満充電になってしまうと、それ以上行なうことができない。したがってこの場合にはやはり余った電力は熱として捨てられることになる。この対策として、以下のような制御を行なう。

たとえば、駆動用モータＭ１の回生量Ｐｒが３ｋＷであり、これに対してメインバッテリＢＡＴ１の受入可能電力Ｐ１が４ｋＷであったとする。このような状況では、メインバッテリに電力がまだ受入可能であるので、回生量と受入可能電力の差である１ｋＷを補機用バッテリＢＡＴ２から双方向のＤＣ／ＤＣコンバータ４２を介してメインバッテリＢＡＴ１側に放電させる。これにより、補機用バッテリＢＡＴ２が満充電になってしまうのをある程度防ぐことができ、駆動用モータＭ１に回生電力が発生した場合に回生電力を捨てずにすむ確率が増加する。

図３は、図１の制御装置３０で実行されるＤＣ／ＤＣコンバータ４２の制御に関するプログラムの制御構造を示したフローチャートである。

このフローチャートの処理は、所定のメインルーチンから一定時間経過ごとまたは所定の条件が成立するごとに呼出されて実行される。

図１、図３を参照して、まず処理が開始されると、ステップＳ１において制御装置３０は、駆動用モータＭ１の回転数ＭＲＮや電流ＩＭを観測して、モータからの回生量を計測する。

続いてステップＳ２において、制御装置３０は、メインバッテリＢＡＴ１の充電状態ＳＯＣ１に対する受入可能電力をマップＡから取得する。

図４は、図３のステップＳ２で使用されるマップＡの一例を示した図である。このマップＡは図１のメモリ３１に予め格納されている。

図４に示すように、メインバッテリＢＡＴ１は充電状態ＳＯＣ１が低い場合には一定量の充電電力を受入可能である。しかし充電状態ＳＯＣ１が満充電に近づくと一定電力が受入可能状態から次第に受入可能電力が減少する領域に入り、満充電の状態になると受入可能電力は０となる。

制御装置３０は、メインバッテリＢＡＴ１のバッテリ電圧ＶＢ１を監視し、かつバッテリ電流ＩＢ１を積算してメインバッテリＢＡＴ１の充電状態ＳＯＣ１を常に把握しており、たとえばそのときのＳＯＣ１がＢ１という値であった場合にはマップＡを参照してメインバッテリＢＡＴ１の受入可能電力Ｗｉｎが決定される。

再び図３を参照して、ステップＳ２の処理が終了するとステップＳ３の処理が実行される。ステップＳ３では制御装置３０は、補機用バッテリＢＡＴ２の充電状態ＳＯＣ２に対する充電量または放電量をマップＢから取得する。

図５は、図３のステップＳ３で用いられるマップＢの一例を示した図である。
図５を参照して、ステップＳ２で取得された受入可能電力Ｗｉｎに対して回生量がちょうど同じ値Ｗｉｎであった場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の出力パワーＰｄｃは０にされ、補機用バッテリＢＡＴ２への充電や放電は行なわれない。

駆動用モータＭ１の回生量ＰｒがＷｉｎからＷｉｎ＋Ａの領域においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の出力パワーＰｄｃは０からＡまで増加する。これによりメインバッテリＢＡＴ１の受入可能電力Ｗｉｎを超える分の回生電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２を介してバッテリＢＡＴ２に充電される。

ここで、図５の値Ａは、ＤＣ／ＤＣコンバータの能力の限界に応じて定められる値である。

逆に駆動用モータＭ１の回生量ＰｒがＷｉｎ−ＡからＷｉｎの間では、メインバッテリＢＡＴ１の受入可能電力の方が多いので回生量との差の分が補機用バッテリＢＡＴ２からＤＣ／ＤＣコンバータ４２を介してメインバッテリＢＡＴ１に充電される。

そして回生量ＰｒがＷｉｎ−Ａより小さい場合やまたはＷｉｎ＋Ａより大きい場合にはＤＣ／ＤＣコンバータ４２の出力パワーＰｄｃは０に設定される。このようにして領域Ｘ１と領域Ｘ２をおよそ同じ程度にすることで、補機用バッテリＢＡＴ２に対する充放電量がある程度バランスされ、補機用バッテリＢＡＴ２が満充電になってしまうことを防ぐことができる。

再び図３を参照して、ステップＳ３の処理が終了するとステップＳ４において補機用バッテリＢＡＴ２の充電／放電量の決定が行なわれる。

この場合に図５である程度補機用バッテリＢＡＴ２の充放電のバランスを取ることにより、補機用バッテリＢＡＴ２が満充電になってしまい以降回生電力を捨てなければならない事態をある程度避けることができる。

さらに、回生電力が発生した場合に、副充電装置である補機用バッテリＢＡＴ２に充放電を行なわせる際に、主蓄電装置であるバッテリＢＡＴ１の受入可能電力以外にも、バッテリＢＡＴ２の充電状態についても考慮する。たとえば、回生電力が極めて大きい場合や補機用バッテリＢＡＴ２が満充電に近くなってしまっている場合には充電量の制限をかけるのが好ましい。

図６は、補機用バッテリＢＡＴ２に対する充電量の制限を行なうためのマップＣを示した図である。

図６に示すように、補機用バッテリＢＡＴ２も図４で示したマップと同様にその充電状態ＳＯＣ２に応じて受入可能な電力が異なる。制御装置３０は、バッテリ電圧ＶＢ２を観測し、バッテリ電流ＩＢ２を積算することにより補機用バッテリＢＡＴ２の充電状態ＳＯＣ２を監視しており、図３のフローチャートが実行されたときの充電状態ＳＯＣ２が値Ｂ２であった場合には、これに応じて補機用バッテリＢＡＴ２に対する充電量の制限値ＷＬが決定される。

なお、図６においては充電量の制限値について説明したが、放電量についても同様なマップを用いることにより制限値を設けて適用してもよい。

再び図１、図３を参照して、ステップＳ４においては図５で求められたＤＣ／ＤＣコンバータの出力パワーＰｄｃと図６の制限値ＷＬとを勘案して補機用バッテリＢＡＴ２の充電量または放電量が決定される。そしてステップＳ５においてステップＳ４で決定した充放電量に対応する動作をさせるために、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２を駆動する駆動信号のデューティ比を制御する。ステップＳ５の処理が終了するとステップＳ６に処理が進み制御はメインルーチンに戻される。

図３においては、回生電力が駆動用モータＭ１で発生した場合においての補機用バッテリＢＡＴ２からの充放電について説明したが、回生電力が駆動用モータＭ１で発生していない場合においても駆動用モータＭ１で回生電力が発生するときに備えて予め補機用バッテリＢＡＴ２を電力受入可能な状態にしておくことが望ましい。この場合は、たとえば、補機用バッテリＢＡＴ２の充電状態ＳＯＣ２が所定値を超えて満充電状態に近づいた時には、補機用バッテリＢＡＴ２の充電状態ＳＯＣ２が所定値になるまで補機用バッテリＢＡＴ２から電源線ＰＬに放電を行なわせるようにＤＣ／ＤＣコンバータ４２を駆動させる。

以上の説明に基づき、本実施の形態の車両用電源装置を総括的に説明すると、車両用電源装置は、車両推進用の駆動用モータＭ１に電力を供給する主蓄電装置であるメインバッテリＢＡＴ１と、副蓄電装置である補機用バッテリＢＡＴ２と、主蓄電装置から駆動用モータＭ１に電力を供給する電力供給経路と副蓄電装置との間に設けられ、双方向の電力伝達が可能なＤＣ／ＤＣコンバータ４２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２を制御する制御装置３０とを備える。制御装置３０は、補機用バッテリＢＡＴ２の充電状態に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ４２を制御して補機用バッテリＢＡＴ２から電力供給経路に向けて放電を行なわせる。

制御装置３０は、駆動用モータＭ１に回生電力が発生した場合に、主蓄電装置の受入可能電力に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ４２を制御して副蓄電装置に充放電を行なわせる。補機用バッテリＢＡＴ２は、主蓄電装置の電源電圧よりも低い電源電圧で動作する補機に電力供給を行なう。

好ましくは、制御装置３０は、メインバッテリＢＡＴ１の充電状態に対するメインバッテリＢＡＴ１の受入可能電力Ｗｉｎを予め記憶された図４のマップＡから読取り、受入可能電力と回生電力との差に応じて補機用バッテリＢＡＴ２側に対する充放電量を決定する。

より好ましくは、制御装置３０は、補機用バッテリＢＡＴ２の充電状態に対する補機用バッテリＢＡＴ２の受入可能電力を予め記憶された図６のマップＣから読取り、決定された充放電量ＷＬに対して補機用バッテリＢＡＴ２の受入可能電力に基づいて制限をかける。

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、補機バッテリの充電状態を適切に制御することができる。そして単に補機バッテリの電力を補機により消費する場合に比べて、より動的に充電状態の適切保持を図ることができる。さらに、補機バッテリの電力を単純に放電して充電量を適切に保持する場合に比べて電力を有効に活用することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係る車両１の構成を示す回路図である。 ＤＣ／ＤＣコンバータ４２に対する制御装置３０の制御を簡単に説明するための具体例である。 図１の制御装置３０で実行されるＤＣ／ＤＣコンバータ４２の制御に関するプログラムの制御構造を示したフローチャートである。 図３のステップＳ２で使用されるマップＡの一例を示した図である。 図３のステップＳ３で用いられるマップＢの一例を示した図である。 補機用バッテリＢＡＴ２に対する充電量の制限を行なうためのマップＣを示した図である。

符号の説明

１ 車両、１０，１３，４７ 電圧センサ、１１，１２，４８ 電流センサ、１４ インバータ、３０ 制御装置、３１ メモリ、４２ ＤＣ／ＤＣコンバータ、４６ 補機類、ＢＡＴ１ メインバッテリ、ＢＡＴ２ 補機用バッテリ、Ｍ１ 駆動用モータ、ＰＬ 電源線、ＲＬＹＨ，ＲＬＹＬ リレー、ＳＬ 接地線。

Claims (6)

1. 車両推進用の回転電機に電力を供給する主蓄電装置と、
   副蓄電装置と、
   前記主蓄電装置から前記回転電機に電力を供給する電力供給経路と前記副蓄電装置との間に設けられ、双方向の電力伝達が可能なＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記副蓄電装置の充電状態に応じて前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御して前記副蓄電装置から前記電力供給経路に向けて放電を行なわせる、車両用電源装置。
2. 前記制御装置は、前記回転電機に回生電力が発生した場合に、前記主蓄電装置の受入可能電力に応じて前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御して前記副蓄電装置に充放電を行なわせる、請求項１に記載の車両用電源装置。
3. 前記制御装置は、前記主蓄電装置の充電状態に対する前記主蓄電装置の受入可能電力を予め記憶されたマップから読取り、前記受入可能電力と回生電力との差に応じて前記副蓄電装置側に対する充放電量を決定する、請求項２に記載の車両用電源装置。
4. 前記制御装置は、前記副蓄電装置の充電状態に対する前記副蓄電装置の受入可能電力を予め記憶されたマップから読取り、決定された前記充放電量に対して前記副蓄電装置の受入可能電力に基づいて制限をかける、請求項３に記載の車両用電源装置。
5. 前記副蓄電装置は、前記主蓄電装置の電源電圧よりも低い電源電圧で動作する補機に電力供給を行なう補機用バッテリである、請求項１に記載の車両用電源装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の車両用電源装置を備える車両。

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