JP2008206299A - 電源装置および電源装置の回生制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】急激な負荷変動を吸収するために設けられたキャパシタの電圧の急上昇にも応答性よく対応することができ、キャパシタやバッテリの損傷を防止することができる電源装置および電源装置の回生制御方法を提供する。
【解決手段】バッテリ２が負荷であるモータ４から電力を回収する回生動作時に、バッテリ２のバッテリ電圧を取得し、この取得したバッテリ電圧に対応して予め定められたデューティを初期デューティとするＰＷＭ制御を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蓄電池などのバッテリとモータなどの負荷との間に並列接続されたキャパシタを有し、前記負荷が前記キャパシタに蓄えられたエネルギーを用いる電源装置および電源装置の回生制御方法に関する。

従来、モータ駆動する電源装置においては、モータの急激な負荷変動を吸収して電池への損傷を抑え、長寿命化を図るために、電源コントローラとモータ駆動用のインバータとの間にキャパシタを並列接続する構成が知られている（例えば、特許文献１および２を参照）。

特許第３６６９６６７号公報 特開２００２−３２０３０２号公報

しかしながら、上述した従来技術では、モータからの電力を回収する回生動作の際にキャパシタの電圧が急上昇してしまうと、キャパシタの電圧変化に応答することができず、キャパシタを壊してしまう恐れがあった。この場合には、結果的に電池側への回生量も大きくなってしまうため、電池に損傷を加えてしまう恐れもあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、急激な負荷変動を吸収するために設けられたキャパシタの電圧の急上昇にも応答性よく対応することができ、キャパシタやバッテリの損傷を防止することができる電源装置および電源装置の回生制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電源装置は、バッテリと負荷との間に並列接続されたキャパシタを有し、前記負荷に電力を供給する一方、前記負荷から電力を回収する電源装置であって、前記負荷から電力を回収する回生動作時に、前記バッテリのバッテリ電圧を取得し、この取得したバッテリ電圧に対応して予め定められたデューティを初期デューティとするＰＷＭ制御を行う制御手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る電源装置は、上記発明において、前記制御手段は、前記バッテリ電圧と前記デューティとを対応付けた対応テーブルを記憶していることを特徴とする。

また、本発明に係る電源装置は、上記発明において、バッテリ式フォークリフトに搭載されたことを特徴とする。

本発明に係る電源装置の回生制御方法は、バッテリと負荷との間に並列接続されたキャパシタを有し、前記負荷に電力を供給する一方、前記負荷が発電した電力を回収する電源装置が、前記負荷から電力を回収する回生動作時に行う回生制御方法であって、前記バッテリのバッテリ電圧を取得し、この取得したバッテリ電圧に対応して予め定められたデューティを初期デューティとするＰＷＭ制御を行うことを特徴とする。

本発明によれば、負荷から電力を回収する回生動作時に、バッテリ電圧を取得し、この取得したバッテリ電圧に対応して予め定められたデューティを初期デューティとするＰＷＭ制御を行うことにより、キャパシタの定格電圧を超えないようにして、バッテリへ回生する最適解を求めることができる。したがって、急激な負荷変動を吸収するために設けられたキャパシタの電圧の急上昇にも応答性よく対応することができ、キャパシタやバッテリの損傷を防止することが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態（以後、「実施の形態」と称する）を説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る電源装置の要部の構成を模式的に示す図である。以下の説明においては、電源装置から負荷に対して電力を供給する動作を「力行動作」と呼び、電源装置が負荷から電力を回収する動作を「回生動作」と呼ぶ。

電源装置１は、鉛蓄電池などによって実現されるバッテリ２と、バッテリ２に接続され、バッテリ２をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御する電源コントローラ３と、負荷であるモータ４と、モータ４に接続され、モータ４を駆動するインバータ５と、電源コントローラ３とインバータ５との間に並列接続されるキャパシタ６と、インバータ５とキャパシタ６との間を流れる電流を検出する負荷電流センサ７と、電源コントローラ３およびインバータ５に制御信号を出力するコントローラ８と、を備える。

バッテリ２は、定格電圧が等しい二つの電池２１，２２から成る。電池２１には電圧計９が並列接続され，電池２２には電圧計１０が並列接続されている。

電源コントローラ３は、二つの電池２１，２２の間に直列接続される力行ＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果型トランジスタ）３１と、電池２１とキャパシタ６との間に直列接続されるコイル３２と、電池２２とキャパシタ６との間に直列接続されるコイル３３と、電池２１に直列接続されるとともに電池２２およびコイル３３に並列接続される回生ＦＥＴ３４と、電池２２に直列接続されるとともに電池２１およびコイル３２に並列接続される回生ＦＥＴ３５と、コントローラ８から出力される制御信号に基づいて力行ＦＥＴ３１や回生ＦＥＴ３４，３５を駆動する駆動回路３６と、コイル３２を流れる電流を検出する電流センサ３７と、コイル３３を流れる電流を検出する電流センサ３８と、を有する。

二つの回生ＦＥＴ３４，３５は、オン・オフのタイミングが同じである。また、力行ＦＥＴ３１と回生ＦＥＴ３４，３５とは、オン・オフのタイミングが反対であり、例えば力行ＦＥＴ３１がオン状態の時、回生ＦＥＴ３４，３５はオフ状態である。

キャパシタ６は、電気二重層キャパシタなどによって実現され、モータ４からの回生エネルギを効率よく蓄積することができる。また、キャパシタ６は、自身が有する放電特性によって瞬時に大電流を取り出すことができ、電源装置１の起動性を向上させることができる。さらに、キャパシタ６は、モータ４の負荷変動を吸収する機能を有しており、これにより、バッテリ２の長寿命化を促進することができるという利点を持つ。

コントローラ８は、制御信号を作成するマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）などを用いて構成され、制御信号作成に必要なデータを記憶するメモリ８１を有する。なお、本実施の形態においては、コントローラ８および電源コントローラ３が、制御手段を構成する。

図２は、回生ＦＥＴ３４，３５がオン状態で力行ＦＥＴ３１がオフ状態にあるときの等価回路を示す図である。この状態で、バッテリ２および電源コントローラ３は、キャパシタ６を介して並列接続された２つの閉回路Ｃ１、Ｃ２を形成する。閉回路Ｃ１、Ｃ２の内部抵抗Ｒは等しい。この内部抵抗Ｒは、バッテリ内部抵抗、キャパシタ内部抵抗、配線抵抗、ＦＥＴオン抵抗、インダクタ抵抗、コネクタ接触抵抗等を合計したものである。

図２において、電池２１の電圧をＶB，キャパシタ６の耐電圧をＶcap，コイル３２のインダクタンスをＬとし、閉回路Ｃ１を流れる電流をｉとすると、
Ｖcap−ＶB＝Ｒｉ＋Ｌ（ｄｉ／ｄｔ） ・・・（１）
が成立する。今、電流ｉの初期値をｉ0とし、回生ＦＥＴオン時間をｔonとすると、ｔon経過後の電流値ｉ1は、
ｉ1＝ｉ0＋｛（Ｖcap−ＶB−Ｒ・ｉ0）／Ｌ｝・ｔon ・・・（２）
となる。なお、閉回路Ｃ２を流れる電流ｉも同じ値を有している。

図３は、回生ＦＥＴ３４，３５がオフ状態で力行ＦＥＴ３１がオン状態にあるときの等価回路を示す図である。この状態で、バッテリ２、電源コントローラ３、およびキャパシタ６は、電池２１，２２を直列に接続したのと等価な電池２５、コイル３２，３３を直列に接続したのと等価なコイル３９、内部抵抗Ｒ、およびキャパシタ６が直列に接続された閉回路Ｃ３を形成する。したがって、図３において、電池２５は、電池２１，２２の各電圧を合計した電圧（２ＶB）を有する。また、コイル３９は、コイル３２，３３の各インダクタンスを合計したインダクタンス（２Ｌ）を有する。なお、閉回路Ｃ３の内部抵抗Ｒは、バッテリ内部抵抗、キャパシタ内部抵抗、配線抵抗、ＦＥＴオン抵抗、インダクタ抵抗、コネクタ接触抵抗等の合計であり、近似的に図２の閉回路Ｃ１の内部抵抗と同じ値としている。

図３においては、電池２５の電圧を２ＶBとおくことができ，コイル３９のインダクタンスを２Ｌとおくことができる。このとき、閉回路Ｃ３を流れる電流をｉとすると、
Ｖcap−２ＶB＝Ｒｉ＋２Ｌ（ｄｉ／ｄｔ） ・・・（３）
が成立する。今、電流ｉの初期値をｉ1とし、回生ＦＥＴオフ時間をｔoffとすると、ｔoff経過後の電流値ｉ0'は、
ｉ0'＝ｉ1−｛（２ＶB−Ｖcap＋Ｒ・ｉ1）／２Ｌ｝・ｔoff ・・・（４）
となる。本実施の形態では、２ＶB＞Ｖcapとなるように回路が設計されている。このため式（４）の右辺第２項｛（２ＶB−Ｖcap＋Ｒ・ｉ1）／２Ｌ｝・ｔoffは正であり、ｉ0'＞ｉ1が常に成立している。なお、回生ＦＥＴオフ時間ｔoffは、スイッチング周期Ｔと回生ＦＥＴオン時間ｔonを用いて
ｔoff＝Ｔ−ｔon ・・・（５）
と表される。

図４は、スイッチングを繰り返し行った場合の電流ｉの時間変化を示す図である。同図に示すように、電流ｉは、ＰＷＭ制御により、回生ＦＥＴオン期間に増加する一方、回生ＦＥＴオフ期間に減少する。図４および上記式（２）,（４）,（５）からわかるように、バッテリ２に回生すべき電流は、電池電圧ＶBと回生ＦＥＴ３４，３５から一意的に定まる。

次に、本実施の形態に係る電源装置の回生制御方法について、図５に示すフローチャートを参照して説明する。コントローラ８は、負荷電流センサ７から出力されたセンサ信号の符号により、キャパシタ６の充電、放電を判定する（ステップＳ１）。キャパシタ６が放電している場合（ステップＳ１，ａ）、電源装置１は力行制御を行う。他方、キャパシタ６が充電している場合（ステップＳ１，ｂ）、電源装置１は回生制御を行う。以下、回生制御の場合を説明する。

回生制御では、まずコントローラ８が、電圧計９，１０からバッテリ２の電池電圧（ＶB）を取得する（ステップＳ２）。その後、コントローラ８は、取得した電池電圧に対応するデューティ（＝ｔon／Ｔ）の初期値を決定する（ステップＳ３）。具体的には、コントローラ８はメモリ８１で記憶する電池電圧とデューティの対応テーブルを参照し、取得した電池電圧に対応するデューティを決定する。

図６は、電池電圧とデューティの対応を与える対応テーブルの構成例を示す図である。同図に示す対応テーブルＴｂは、キャパシタ６の耐電圧Ｖcapを６０（Ｖ）とするとともに、電池２１，２２の定格電圧を５６（Ｖ）とした場合の電池電圧とデューティの対応関係を与えている。対応テーブルＴｂは、回生動作時にバッテリ２、キャパシタ６、各種ＦＥＴを損傷することがないように予め算定され、メモリ８１に格納されている。

この後、コントローラ８は、ステップＳ３で読み取ったデューティを初期デューティとし、回生ＦＥＴ３４，３５をオンする制御信号を出力する。電源コントローラ３の駆動回路３６は、コントローラ８からの制御信号に基づいて回生ＦＥＴをオンする（ステップＳ４）。なお、デューティの定義からも明らかなように、回生ＦＥＴオン時間ｔonは、デューティをＤとすると、ｔon＝Ｄ・Ｔで表される。

続いて、コントローラ８は、電流センサ３７，３８から電流検出値を取得する（ステップＳ５）、その後、コントローラ８は、上述した式（２）または式（４）の計算を逐次行いながら、制御ゲインに基づく回生ＰＷＭ制御を行う（ステップＳ６）。ここでの回生ＰＷＭ制御には、デューティを初期値から変更する制御も含まれる。

コントローラ８は、回生ＰＷＭ制御を行いながら、所定のタイミングで負荷電流センサ７からの電流を取得し、キャパシタの充電／放電判定を行う（ステップＳ７）。この判定の結果、キャパシタが放電している場合（ステップＳ７，ａ）、電源装置１は力行制御へ移行する。一方、キャパシタ６が充電している場合（ステップＳ７，ｂ）、電源装置１は、ステップＳ５に戻って回生制御を繰り返す。

以上説明した電源装置１の回生制御方法では、コントローラ８が取得した電池電圧に応じて予め対応付けられたデューティを初期値として制御を開始した後、電流センサ３７，３８が検出した回生電流の大きさを用いたＰＷＭ制御を行うことにより、キャパシタ６の定格電圧を超えないようにしつつ、バッテリ２へ回生する最適解を算出している。したがって、回生時にキャパシタ６の電圧が急上昇してしまっても、応答性のよい制御を実現することができる。

回生動作時にキャパシタ６の電圧が急上昇するのは、キャパシタ６の容量が小さい場合に生じやすい現象である。したがって、本実施の形態に係る回生制御方法は、キャパシタ６を小容量化する際に好適である。なお、キャパシタ６の小容量化は、キャパシタ６の小型、軽量化にもつながる。この意味で、本実施の形態に係る回生制御方法は、キャパシタを小型、軽量化する上でも大きな効果を奏するとともに、小型、軽量化に伴う部品点数減等による低コスト化も実現することができる。

図７は、電源装置１の一適用例を示す図であり、具体的には、電源装置１が搭載されたバッテリ式フォークリフトの構成を示す図である。同図に示すバッテリ式フォークリフト１００は、運転室１０１と、運転室１０１の前方に設けられ、荷物積載用のフォーク１０２と、フォーク１０２を昇降可能に支持するマスト１０３と、運転室１０１の内部に設けられ、電源コントローラ３に対して操作指令を出力する操作部であるレバー１０４およびアクセル１０５と、を備えた産業機械である。

電源装置１のうち、バッテリ２は、運転室１０１の座席の下方に配置される。また、キャパシタ６は、フォーク１０２およびマスト１０３側である前方の車体内に配置される。モータ４は、車体の略中央底部付近に配置される。電源コントローラ３、インバータ５、およびコントローラ８は、車体後方側に配置される。

上記のごとく、電源装置１は、バッテリ式フォークリフト１００の車体の限られたスペースに構成要素が離間した状態で配置される。このため、バッテリ式フォークリフト１００に搭載される電源装置１は、できるだけ小型軽量であることが望ましい。この点、本実施の形態に係る電源装置１は、キャパシタ６を小容量化し、小型軽量化を図っても、小容量化に伴う回生動作時のデメリットが顕在することなく、適確な回生制御を行うことができるので、バッテリ式フォークリフト１００へ搭載するのに好適である。

なお、電源装置１は、バッテリ式フォークリフト以外の産業機械および建設機械にも搭載することが可能である。

以上説明した本発明の一実施の形態によれば、モータから電力を回収する回生動作時に、バッテリ電圧を取得し、この取得したバッテリ電圧に対応して予め定められたデューティを初期デューティとするＰＷＭ制御を行うことにより、キャパシタの定格電圧を超えないようにして、バッテリへ回生する最適解を求めることができる。したがって、キャパシタの電圧の急上昇にも応答性よく対応することができ、キャパシタやバッテリの損傷を防止することが可能となる。

また、本実施の形態によれば、キャパシタを小容量化してキャパシタ電圧が急上昇しやすくなっても回生制御を適確に行うことができるので、キャパシタの小容量化を実現することができる。この結果、電源装置の小型、軽量化を図ることができる。

ここまで、本発明を実施するための最良の形態を詳述してきたが、本発明は上述した一実施の形態によってのみ限定されるべきものではない。すなわち、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態等を含みうるものであり、特許請求の範囲により特定される技術的思想を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を施すことが可能である。

本発明の一実施の形態に係る電源装置の要部の構成を示す図である。 回生ＦＥＴオン状態での等価回路を示す図である。 回生ＦＥＴオフ状態での等価回路を示す図である。 スイッチングを繰り返し行った場合の電流の時間変化を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る電源装置の回生制御方法の処理の概要を示すフローチャートである。 回生動作時の初期デューティを決定する際に参照する対応テーブルの構成例を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る電源装置が搭載されたバッテリ式フォークリフトの構成を示す図である。

符号の説明

１ 電源装置
２ バッテリ
３ 電源コントローラ
４ モータ
５ インバータ
６ キャパシタ
７ 負荷電流センサ
８ コントローラ
９，１０ 電圧計
２１，２２，２５ 電池
３１ 力行ＦＥＴ
３２，３３，３９ コイル
３４，３５ 回生ＦＥＴ
３６ 駆動回路
３７，３８ 電流センサ
８１ メモリ
１００ バッテリ式フォークリフト
１０１ 運転室
１０２ フォーク
１０３ マスト
１０４ レバー
１０５ アクセル
Ｔｂ 対応テーブル

Claims (4)

1. バッテリと負荷との間に並列接続されたキャパシタを有し、前記負荷に電力を供給する一方、前記負荷から電力を回収する電源装置であって、
   前記負荷から電力を回収する回生動作時に、前記バッテリのバッテリ電圧を取得し、この取得したバッテリ電圧に対応して予め定められたデューティを初期デューティとするＰＷＭ制御を行う制御手段
   を備えたことを特徴とする電源装置。
2. 前記制御手段は、
   前記バッテリ電圧と前記デューティとを対応付けた対応テーブルを記憶していることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. バッテリ式フォークリフトに搭載されたことを特徴とする請求項１または２記載の電源装置。
4. バッテリと負荷との間に並列接続されたキャパシタを有し、前記負荷に電力を供給する一方、前記負荷が発電した電力を回収する電源装置が、前記負荷から電力を回収する回生動作時に行う電源装置の回生制御方法であって、
   前記バッテリのバッテリ電圧を取得し、この取得した前記バッテリ電圧に対応して予め定められたデューティを初期デューティとするＰＷＭ制御を行うことを特徴とする電源装置の回生制御方法。

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