JP2009261201A - 電源システムおよびそれを備えた車両 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の蓄電装置および複数の電圧変換装置を備える電源システムにおいて複数の電圧変換装置での損失を抑制可能な電源システムおよびそれを備えた車両を提供する。
【解決手段】コンバータ10,12は、互いに並列して正極ラインPL3および負極ラインNLに接続される。ECU30は、要求パワーPRがしきい値よりも小さいとき、コンバータ10,12の双方が停止するようにコンバータ10,12を制御する。一方、ECU30は、要求パワーPRがしきい値以上のとき、コンバータ10,12の少なくとも一方が動作するようにコンバータ10,12を制御する。さらにECU30は、蓄電装置B1,B2の残存容量の偏差が所定値以上になった場合には、その偏差を低減するようにコンバータ10,12を制御する。
【選択図】図1
【解決手段】コンバータ10,12は、互いに並列して正極ラインPL3および負極ラインNLに接続される。ECU30は、要求パワーPRがしきい値よりも小さいとき、コンバータ10,12の双方が停止するようにコンバータ10,12を制御する。一方、ECU30は、要求パワーPRがしきい値以上のとき、コンバータ10,12の少なくとも一方が動作するようにコンバータ10,12を制御する。さらにECU30は、蓄電装置B1,B2の残存容量の偏差が所定値以上になった場合には、その偏差を低減するようにコンバータ10,12を制御する。
【選択図】図1
Description
本発明は、複数の蓄電装置を備える電源システムにおける損失を抑制するための制御技術に関する。
特開2003−209969号公報(特許文献1)は、複数の電源ステージを備える電源制御システムを開示する。この電源制御システムは、互いに並列に接続されて少なくとも1つのインバータに直流電力を供給する複数の電源ステージを備える。各電源ステージは、電池と、ブースト/バックDC−DCコンバータとを含む。
上記文献に開示される電源制御システムにおいては、複数の電源ステージにそれぞれ含まれる複数の電池を均等に充放電させてインバータへの出力電圧を維持するように、それら複数の電源ステージが制御される。
特開2003−209969号公報
電源制御システムに要求されるパワーによっては、その要求パワーを実現するためにコンバータを動作させた際のコンバータの損失が無視できなくなる状況が生じ得る。つまり要求パワーが小さいほど、コンバータの損失が相対的に大きくなりやすい。しかし特開2003−209969号公報では、電源制御システムの損失を抑制するための各電源ステージの制御方法は具体的に開示されていない。
それゆえに、本発明の目的は、複数の蓄電装置および複数の電圧変換装置を備える電源システムにおいて複数の電圧変換装置での損失を抑制可能な電源システムおよびそれを備えた車両を提供することである。
本発明は要約すれば複数の蓄電装置を備え、かつ負荷装置に電力を供給する電源システムである。電源システムは、第1の電圧変換装置と、第2の電圧変換装置と、制御部とを備える。第1の電圧変換装置は、第1の蓄電装置と負荷装置との間に設けられ、その動作時において第1の蓄電装置からの電圧を変換して負荷装置へ出力し、その停止時において第1の蓄電装置からの電圧を直接的に負荷装置へ出力する。第2の電圧変換装置は、第2の蓄電装置と負荷装置との間に設けられ、その動作時において第2の蓄電装置からの電圧を変換して負荷装置へ出力し、その停止時において第2の蓄電装置からの電圧を直接的に負荷装置へ出力する。制御部は、電源システムに対する要求パワーがしきい値よりも小さい場合には、第1および第2の電圧変換装置が停止する一方で、要求パワーがしきい値より大きい場合には、第1および第2の電圧変換装置の少なくとも一方が動作するように第1および第2の電圧変換装置を制御するとともに、第1の蓄電装置の残存容量と第2の蓄電装置の残存容量との偏差が拡大した場合には、偏差が低減するように第1および第2の電圧変換装置を制御する。
好ましくは、制御部は、要求パワーがしきい値より小さく、かつ、偏差が拡大した場合には、第1および第2の蓄電装置のうち残存容量の高いほうの蓄電装置に対応する電圧変換装置を起動させて負荷装置に電力を供給することで偏差を低減する。
好ましくは、制御部は、要求パワーがしきい値よりも大きく、かつ、要求パワーが第1および第2の蓄電装置のいずれか一方の蓄電装置から出力可能である場合には、偏差が所定値に達するまで要求パワーを出力可能な蓄電装置に対応する電圧変換装置を動作させるとともに他方の蓄電装置に対応する電圧変換装置を停止させる。制御部は、偏差が所定値に達すると、動作状態の電圧変換装置と停止状態の電圧変換装置とを相互に切換えることで偏差を低減する。
好ましくは、負荷装置は、電力と機械的動力とを相互に変換可能な装置である。制御部は、機械的動力により負荷装置が電力を発生した場合、第1および第2の蓄電装置のうち残存容量が低いほうの蓄電装置が充電されるよう第1および第2の電圧変換装置を制御することで偏差を低減する。
本発明の他の局面に従うと、車両であって、上述のいずれかに記載の電源システムと、負荷装置とを備える。負荷装置は、電源システムから電力が供給される駆動装置と、駆動装置によって駆動される電動機とを含む。車両は、電動機によって駆動される車輪をさらに備える。
本発明によれば、複数の蓄電装置および複数の電圧変換装置を備える電源システムにおいて、複数の電圧変換装置全体における損失を抑制しつつ、当該電源システムに要求されるパワーに対応する電力をその負荷装置に供給できる。
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、本発明による電源システムを搭載した車両の一例として示されるハイブリッド車両の全体ブロック図である。図1を参照して、このハイブリッド車両100は、エンジン2と、モータジェネレータMG1,MG2と、動力分割機構4と、車輪6とを備える。また、ハイブリッド車両100は、蓄電装置B1,B2と、コンバータ10,12と、コンデンサCと、インバータ20,22と、ECU(Electronic Control Unit)30とをさらに備える。
なお、蓄電装置B1,B2は、それぞれ本発明における「第1の蓄電装置」および「第2の蓄電装置」に対応し、コンバータ10,12は、それぞれ本発明における「第1の電圧変換装置」および「第2の電圧変換装置」に対応する。また、インバータ20,22およびモータジェネレータMG1,MG2は、この発明における「負荷装置」に対応する。
ハイブリッド車両100は、エンジン2およびモータジェネレータMG2を動力源として走行する。動力分割機構4は、エンジン2とモータジェネレータMG1,MG2とに結合されてこれらの間で動力を分配する。動力分割機構4は、たとえば、サンギヤ、プラネタリキャリヤおよびリングギヤの3つの回転軸を有する遊星歯車機構から成り、この3つの回転軸がエンジン2およびモータジェネレータMG1,MG2の回転軸にそれぞれ接続される。なお、モータジェネレータMG1のロータを中空にしてその中心にエンジン2のクランク軸を通すことにより、エンジン2およびモータジェネレータMG1,MG2を動力分割機構4に機械的に接続することができる。また、モータジェネレータMG2の回転軸は、図示されない減速ギヤや作動ギヤによって車輪6に結合される。
そして、モータジェネレータMG1は、エンジン2によって駆動される発電機として動作し、かつ、エンジン2の始動を行ない得る電動機として動作するものとしてハイブリッド車両100に組込まれ、モータジェネレータMG2は、車輪6を駆動する電動機としてハイブリッド車両100に組込まれる。
蓄電装置B1,B2は、充放電可能な直流電源であり、たとえば、ニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池から成る。蓄電装置B1は、コンバータ10へ電力を供給し、また、電力回生時には、コンバータ10によって充電される。蓄電装置B2は、コンバータ12へ電力を供給し、また、電力回生時には、コンバータ12によって充電される。
なお、たとえば、蓄電装置B1には、蓄電装置B2よりも出力可能最大電力が大きい二次電池を用いることができ、蓄電装置B2には、蓄電装置B1よりも蓄電容量が大きい二次電池を用いることができる。これにより、2つの蓄電装置B1,B2を用いてハイパワーかつ大容量の直流電源を構成することができる。また、蓄電装置B1,B2の少なくとも一方に大容量のキャパシタを用いてもよい。
コンバータ10は、ECU30からの信号PWC1に基づいて蓄電装置B1からの電圧を昇圧し、その昇圧した電圧を正極ラインPL3へ出力する。また、コンバータ10は、インバータ20,22から正極ラインPL3を介して供給される回生電力を信号PWC1に基づいて蓄電装置B1の電圧レベルに降圧し、蓄電装置B1を充電する。さらに、コンバータ10は、ECU30からシャットダウン信号SD1を受けるとスイッチング動作を停止する。
コンバータ12は、コンバータ10に並列して正極ラインPL3および負極ラインNLに接続される。そして、コンバータ12は、ECU30からの信号PWC2に基づいて蓄電装置B2からの電圧を昇圧し、その昇圧した電圧を正極ラインPL3へ出力する。また、コンバータ12は、インバータ20,22から正極ラインPL3を介して供給される回生電力を信号PWC2に基づいて蓄電装置B2の電圧レベルに降圧し、蓄電装置B2を充電する。さらに、コンバータ12は、ECU30からシャットダウン信号SD2を受けるとスイッチング動作を停止する。
コンデンサCは、正極ラインPL3と負極ラインNLとの間に接続され、正極ラインPL3と負極ラインNLとの間の電圧変動を平滑化する。
インバータ20は、ECU30からの信号PWI1に基づいて正極ラインPL3からの直流電圧を3相交流電圧に変換し、その変換した3相交流電圧をモータジェネレータMG1へ出力する。また、インバータ20は、エンジン2の動力を用いてモータジェネレータMG1が発電した3相交流電圧を信号PWI1に基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧を正極ラインPL3へ出力する。
インバータ22は、ECU30からの信号PWI2に基づいて正極ラインPL3からの直流電圧を3相交流電圧に変換し、その変換した3相交流電圧をモータジェネレータMG2へ出力する。また、インバータ22は、車両の回生制動時、車輪6からの回転力を受けてモータジェネレータMG2が発電した3相交流電圧を信号PWI2に基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧を正極ラインPL3へ出力する。
モータジェネレータMG1,MG2の各々は、3相交流回転電機であり、たとえば3相交流同期電動発電機から成る。モータジェネレータMG1は、インバータ20によって回生駆動され、エンジン2の動力を用いて発電した3相交流電圧をインバータ20へ出力する。また、モータジェネレータMG1は、エンジン2の始動時、インバータ20によって力行駆動され、エンジン2をクランキングする。モータジェネレータMG2は、インバータ22によって力行駆動され、車輪6を駆動するための駆動力を発生する。また、モータジェネレータMG2は、車両の回生制動時、インバータ22によって回生駆動され、車輪6から受ける回転力を用いて発電した3相交流電圧をインバータ22へ出力する。
ハイブリッド車両100は、監視ユニット40,50と、電圧センサ46とをさらに備える。監視ユニット40は、電圧センサ42と、電流センサ52と、温度センサ62とを含む。監視ユニット50は、電圧センサ44と、電流センサ54と、温度センサ64とを含む。
電圧センサ42は、蓄電装置B1の電圧VB1を検出してECU30へ出力する。温度センサ62は、蓄電装置B1の温度T1を検出してECU30へ出力する。電流センサ52は、蓄電装置B1からコンバータ10へ出力される電流I1を検出してECU30へ出力する。
電圧センサ44は、蓄電装置B2の電圧VB2を検出してECU30へ出力する。温度センサ64は、蓄電装置B2の温度T2を検出してECU30へ出力する。電流センサ54は、蓄電装置B2からコンバータ12へ出力される電流I2を検出してECU30へ出力する。
電圧センサ46は、コンデンサCの端子間電圧、すなわち負極ラインNLに対する正極ラインPL3の電圧VHを検出し、その検出した電圧VHをECU30へ出力する。
ECU30は、コンバータ10,12をそれぞれ駆動するための信号PWC1,PWC2を生成し、その生成した信号PWC1,PWC2をそれぞれコンバータ10,12へ出力する。また、ECU30は、負荷装置の駆動のために当該電源システムに対して要求されるパワー(以下では「要求パワー」と称する。)PRに応じてシャットダウン信号SD1またはSD2を生成し、その生成したシャットダウン信号SD1またはSD2をコンバータ10または12へ出力する。なお、要求パワーPRは、アクセルペダルの開度や車両速度などに基づいて、図示されない車両ECUによって演算される。
さらに、ECU30は、インバータ20,22をそれぞれ駆動するための信号PWI1,PWI2を生成し、その生成した信号PWI1,PWI2をそれぞれインバータ20,22へ出力する。
図2は、図1に示したコンバータ10,12の構成を示す回路図である。図2を参照して、コンバータ10は、トランジスタQ1,Q2と、ダイオードD1,D2と、リアクトルL1とを含む。トランジスタQ1,Q2は、正極ラインPL3と負極ラインNLとの間に直列に接続される。ダイオードD1,D2は、それぞれトランジスタQ1,Q2に逆並列に接続される。リアクトルL1の一方端は、トランジスタQ1,Q2の接続ノードに接続され、その他方端は、正極ラインPL1に接続される。
コンバータ12は、コンバータ10と同様の構成を有する。コンバータ10の構成において、トランジスタQ1,Q2をトランジスタQ3,Q4にそれぞれ置き換え、ダイオードD1,D2をダイオードD3,D4にそれぞれ置き換え、リアクトルL1、正極ラインPL1をリアクトルL2、正極ラインPL2にそれぞれ置き換えた構成がコンバータ12の構成に対応する。なお、上記のトランジスタとして、図2にはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を示しているが、IGBTに限らず、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、バイポーラトランジスタ等などを用いることができる。
コンバータ10,12は、チョッパ回路から成る。そして、コンバータ10(12)は、ECU30(図示せず)からの信号PWC1(PWC2)に基づいて、正極ラインPL1(PL2)の電圧をリアクトルL1(L2)を用いて昇圧し、その昇圧した電圧を正極ラインPL3へ出力する。
たとえばコンバータ10(12)は、トランジスタQ1(Q3)をオフさせるとともにトランジスタQ2(Q4)をオンオフさせる。コンバータ10(12)は、トランジスタQ2(Q4)のオン時に流れる電流をリアクトルL1(L2)に磁場エネルギとして蓄積することによって正極ラインPL1(PL2)の電圧を昇圧する。そして、コンバータ10(12)は、その昇圧した電圧をトランジスタQ2(Q4)がオフされたタイミングに同期してダイオードD1(D2)を介して正極ラインPL3へ出力する。
一方、コンバータ10(12)は、ECU30(図示せず)からの信号PWC1(PWC2)に基づいて、正極ラインPL3の電圧を降圧し、その降圧した電圧を正極ラインPL1(PL2)へ出力する。たとえばコンバータ10(12)は、トランジスタQ1(Q3)をオンオフするとともにトランジスタQ2(Q4)をオフさせる。トランジスタQ1(Q3)がオンの状態においては、インバータ20(22)からの電流はトランジスタQ1(Q3)を経由してリアクトルL1(L2)および蓄電装置B1(B2)へと流れる。トランジスタQ1(Q3)がオフの状態においては、リアクトルL1、蓄電装置B1およびダイオードD2からなるループ(リアクトルL2、蓄電装置B2およびダイオードD4からなるループ)が形成されて、リアクトルL1(L2)に蓄積されたエネルギが蓄電装置B1(B2)側に開放される。
図3は、図1に示したECU30の機能ブロック図である。図3を参照して、ECU30は、コンバータ制御部32と、インバータ制御部34,36とを含む。
コンバータ制御部32は、電圧センサ42からの電圧VB1、電圧センサ46からの電圧VH、および電流センサ52からの電流I1に基づいて、コンバータ10のトランジスタQ1,Q2をオン/オフするためのPWM(Pulse Width Modulation)信号を生成し、その生成したPWM信号を信号PWC1としてコンバータ10へ出力する。
また、コンバータ制御部32は、電圧センサ44からの電圧VB2、電圧VH、および電流センサ54からの電流I2に基づいて、コンバータ12のトランジスタQ3,Q4をオン/オフするためのPWM信号を生成し、その生成したPWM信号を信号PWC2としてコンバータ12へ出力する。
さらに、コンバータ制御部32は、要求パワーPRに基づいて、コンバータ10を停止するためのシャットダウン信号SD1およびコンバータ12を停止するためのシャットダウン信号SD2を生成し、その生成したシャットダウン信号SD1,SD2をそれぞれコンバータ10,12へ出力する。
さらにコンバータ制御部32は、蓄電装置B1,B2のそれぞれの残存容量(SOC(State of Charge)とも呼ばれる)である残存容量SOC1,SOC2を受ける。この残存容量は、たとえば蓄電装置が満充電状態であるときに100%であると定義され、蓄電装置が完全に放電した状態であるときに0%であると定義される。残存容量SOC1(SOC2)は、電圧VB1(VB2)や電流I1(またはI2)、温度T1(またはT2)などを用いて、種々の公知の手法により算出することができる。
インバータ制御部34は、モータジェネレータMG1のトルク指令TR1、モータ電流MCRT1およびロータ回転角θ1、ならびに電圧VHに基づいて、インバータ20に含まれるパワートランジスタをオン/オフするためのPWM信号を生成し、その生成したPWM信号を信号PWI1としてインバータ20へ出力する。
インバータ制御部36は、モータジェネレータMG2のトルク指令TR2、モータ電流MCRT2およびロータ回転角θ2、ならびに電圧VHに基づいて、インバータ22に含まれるパワートランジスタをオン/オフするためのPWM信号を生成し、その生成したPWM信号を信号PWI2としてインバータ22へ出力する。
なお、トルク指令TR1,TR2は、たとえば、アクセル開度やブレーキ踏込量、車両速度などに基づいて、図示されない車両ECUによって算出される。また、モータ電流MCRT1,MCRT2およびロータ回転角θ1,θ2の各々は、図示されないセンサによって検出される。
図4は、図3に示したコンバータ制御部32の詳細な機能ブロック図である。図4を参照して、コンバータ制御部32は、変調波生成部102,104と、制御部106と、駆動信号生成部108,110とから成る。
変調波生成部102は、電圧VB1,VHおよび/または電流I1に基づいて、コンバータ10に対応する変調波M1を生成する。変調波生成部104は、電圧VB2,VHおよび/または電流I2に基づいて、コンバータ12に対応する変調波M2を生成する。なお、変調波生成部102,104は、対応するコンバータの入力電流や出力電圧を目標値に制御するように変調波M1,M2を生成することができる。たとえば、変調波生成部102は、電流I1が所定の目標値に制御されるように電流I1に基づいて変調波を生成し、変調波生成部104は、電圧VHが所定の目標値に制御されるように電圧VB2,VHに基づいて変調波M2を生成することができる。
制御部106は、後述の方法により、要求パワーPRに基づいてコンバータ10,12の各々を動作状態および停止状態のいずれにするかを判定する。制御部106は、コンバータ10の停止を決定すると、駆動信号生成部108へ出力される信号CTL1を活性化し、コンバータ12の停止を決定すると、駆動信号生成部110へ出力される信号CTL2を活性化する。
駆動信号生成部108は、制御部106からの信号CTL1が非活性化されているとき、変調波生成部102からの変調波M1および所定のキャリア信号に基づいて信号PWC1を生成する。一方、駆動信号生成部108は、信号CTL1が活性化されているとき、シャットダウン信号SD1を生成してコンバータ10へ出力する。
駆動信号生成部110は、制御部106からの信号CTL2が非活性化されているとき、変調波生成部104からの変調波M2および所定のキャリア信号に基づいて信号PWC2を生成する。一方、駆動信号生成部110は、信号CTL2が活性化されているとき、シャットダウン信号SD2を生成してコンバータ12へ出力する。
このコンバータ制御部32においては、制御部106は、要求パワーPRの大きさに応じて、コンバータ10,12の動作状態および停止状態を制御する。なお、本実施の形態においては、コンバータの動作(コンバータによる昇圧)を制御することによって、そのコンバータに対応する蓄電装置から取り出される電力の大きさが制御される。
図5は、コンバータ10,12の状態(モード)の遷移を示した図である。図5を参照して、コンバータ10,12の状態は、要求パワーPRに応じて、コンバータ10,12の双方が停止した状態(非昇圧モード)、コンバータ10,12の一方が昇圧動作を行なう状態(1コンバータ昇圧モード)、および、コンバータ10,12の双方が昇圧動作を行なう状態(2コンバータ昇圧モード)の間で相互に遷移する。
コンバータ制御部32は、要求パワーPRが第1のしきい値Pth1よりも小さい場合には、コンバータ10,12の状態を非昇圧モードに制御する。要求パワーPRが上昇して第1のしきい値Pth1よりも大きくなった場合、コンバータ制御部32は、コンバータ10,12の状態を1コンバータ昇圧モードに制御する。要求パワーPRがさらに上昇して第2のしきい値Pth2(Pth2>Pth1)よりも大きくなった場合、コンバータ制御部32は、コンバータ10,12の状態を2コンバータ昇圧モードに制御する。
一方、コンバータ10,12が2コンバータ昇圧モードで制御されている状態から要求パワーPRが低下したとする。コンバータ制御部32は、要求パワーPRが第2のしきい値Pth2より小さく、かつ第1のしきい値Pth1より大きい場合、コンバータ10,12の状態を1コンバータ昇圧モードに制御する。要求パワーPRがさらに低下して第1のしきい値Pth1より小さくなると、コンバータ制御部32は、コンバータ10,12を非昇圧モードに制御する。
ここで第1のしきい値Pth1は、蓄電装置の出力電圧を昇圧せずにモータジェネレータ(MG1,MG2)を駆動させるときに当該電源システムから出力される最大のパワーである。また、第2のしきい値Pth1は、蓄電装置B1,B2のうち最大供給電力が小さいほうの、その最大供給電力である。しきい値Pth1,Pth2は、たとえば実験によって予め求められた値であり、たとえば制御部106の内部に記憶される。
図6は、制御部106によるコンバータ10,12のモードの制御を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、たとえば一定の周期でメインルーチンから呼び出されて実行される。これによって図5に示されるモード遷移が実現される。
図6を参照して、処理が開始されると、制御部106は、要求パワーPRが第1のしきい値Pth1よりも大きいか否かを判定する(ステップS10)。要求パワーPRが第1のしきい値Pth1よりも大きい場合(ステップS10にてYES)、処理はステップS20に進む。一方、要求パワーPRが第1のしきい値Pth1よりも小さい場合(ステップS10にてNO)、処理はステップS50に進む。
ステップS20にて、制御部106は、要求パワーPRが第2のしきい値Pth2よりも大きいか否かを判定する。要求パワーPRが第2のしきい値Pth2よりも大きい場合(ステップS20にてYES)、処理はステップS30に進む。一方、要求パワーPRが第2のしきい値Pth2よりも小さい場合(ステップS20にてNO)、処理はステップS40に進む。
ステップS30にて、制御部106は、コンバータ10,12の状態を2コンバータ昇圧モードに制御する。具体的には、制御部106は、信号CTL1,CTL2を非活性化する。これによりコンバータ10,12が動作する。
ステップS40にて、制御部106は、コンバータ10,12の状態を1コンバータ昇圧モードに制御する。すなわち、制御部106は、コンバータ10,12を切換えて動作させることで、コンバータ10,12の一方に昇圧動作を行なわせ、他方を停止させる。具体的には制御部106は、信号CTL1,CTL2の一方を非活性化し、他方を活性化するという動作を繰返す。
ステップS50にて、制御部106は、コンバータ10,12の状態を非昇圧モードに制御する。すなわち、制御部106は、コンバータ10,12を停止させる。具体的には制御部106は、信号CTL1,CTL2を活性化する。
ステップS30〜S50のいずれかの処理が終了すると、全体の処理はメインルーチンに戻される。
図7は、2コンバータ昇圧モードにおけるコンバータ10,12の状態を説明するための図である。図7を参照して、2コンバータ昇圧モードではコンバータ10,12が起動する。この場合、蓄電装置B1,B2が負荷装置への供給電力の半分ずつを賄うよう、コンバータ制御部32(主として制御部106)によってコンバータ10,12が制御される。
モータジェネレータMG1またはMG2の発電による蓄電装置B1,B2の充電時においても、制御部106はコンバータ10,12を起動し、その発電による電力を蓄電装置B1,B2に半分ずつ供給することで、蓄電装置B1,B2の残存容量を揃える。
図8は、1コンバータ昇圧モードにおけるコンバータ10,12の状態を説明するための図である。図8を参照して、1コンバータ昇圧モードではコンバータ10,12の一方が起動し、他方は停止する。たとえばコンバータ10が起動し、コンバータ12が停止しているとする。この場合には、トランジスタQ3,Q4が停止し、かつダイオードD3,D4が、逆バイアス状態となる。つまりコンバータ12が負荷装置(インバータ20,22およびモータジェネレータMG1,MG2)から切り離された状態となる。この状態におけるコンバータ10,12の損失は、実質的にコンバータ10のみの損失に等しくなる。コンバータ10が停止し、コンバータ12が動作している場合においても同様である。このようにコンバータ10,12が制御されることでコンバータ10,12の全体の損失を低減させることができる。
コンバータ制御部32(主として制御部106)によってコンバータ10,12が1コンバータ昇圧モードで制御された場合、蓄電装置B1,B2の一方のみから電力が取り出される。これにより、その蓄電装置の残存容量が低下するので、2つの蓄電装置の間で残存容量の偏差が生じる。この状態が続くと、その偏差が拡大し、最終的には要求パワーPRに対応する電力をその蓄電装置から取り出すことができなくなる。
したがって制御部106は、残存容量の偏差が一定値に達した場合、動作させるコンバータを切換える。これによって、電力が取り出される蓄電装置が切り換わるので、要求パワーPRに対応する電力を負荷装置に供給し続けることが可能になる。上記「一定値」とは特に限定されるものではなく、たとえば電源システムの使用条件等を考慮して適切に定められるものである。
なお、モータジェネレータMG1またはMG2の発電時には、制御部106は電力が取り出されたほうの蓄電装置が充電されるよう、その蓄電装置に対応するコンバータ10を起動させることで蓄電装置B1,B2の残存容量を揃える。
図9は、非昇圧モードにおけるコンバータ10,12の状態を説明するための図である。図9を参照して、コンバータ10,12の双方(より具体的にはトランジスタQ1〜Q4)が停止し、蓄電装置B1,B2は、ダイオードD1,D3により構成されるダイオードOR回路によって負荷装置に接続される。これにより蓄電装置B1,B2から負荷装置には電力が成り行きで供給される。この状態ではトランジスタのスイッチング損失が生じない。よってコンバータ10,12全体の損失は、主としてダイオードD1,D2の導通損失となる。
このモードでは、コンバータ10、12を動作させることなく要求パワーPRに対応する電力を蓄電装置B1、B2から取り出すことができる。したがって、上記の2コンバータ昇圧モード、および1コンバータ昇圧モードと比較すると、コンバータ10,12全体の損失をより低減できる。
なお、蓄電装置B1,B2から負荷装置に電力を成り行きで供給した場合、それらの間で残存容量の偏差が生じ、かつ、その偏差が徐々に拡大することが起こりうる。このような現象は2つの蓄電装置の特性の差により生じると考えられる。たとえば2つの蓄電装置B1,B2の内部抵抗に差が生じたとすると、内部抵抗が小さいほうの蓄電装置から取り出される電力が、内部抵抗が大きいほうの蓄電装置から取り出される電力よりも大きくなることが起こりうる。これによって残存容量の偏差が生じるとともに、その偏差が拡大する。また、たとえば劣化の進み具合が2つの蓄電装置で異なる場合にも、2つの蓄電装置から取り出される電力に差が生じうるので、このような残存容量の偏差が生じるとともに、その偏差が拡大することが起こりうる。
制御部106は、蓄電装置B1,B2の残存容量の偏差が一定値以上になった場合、コンバータ10,12の少なくとも一方を動作させて蓄電装置B1,B2から負荷装置に供給される電力の配分を制御する。具体的には、制御部106は、蓄電装置B1,B2のうちの残存容量が大きいほうに対応するコンバータを動作させて、上記の偏差が小さくなるように電力の配分を制御する。これにより、要求パワーPRに対応する電力を負荷装置に供給し続けることが可能になる。
なお、モータジェネレータMG1またはMG2の発電時には、制御部106はコンバータ10または12を起動して、モータジェネレータMG1またはMG2からの電力を蓄電装置B1またはB2に供給することで蓄電装置B1,B2の残存容量を揃える。
図10は、要求パワーとコンバータ10,12のモードとの対応関係を表形式で示した図である。図11は、図10に示した要求パワーとコンバータ10,12のモードとの対応関係をグラフによって示した図である。
図10および図11を参照して、P1は蓄電装置B1が供給可能な最大電力を示し、P2は蓄電装置B2が供給可能な最大電力を示す。なお、この説明ではP1,P2は等しいとするがP1とP2とが異なっていてもよい。また、第1のしきい値Pth1は、非昇圧モードで負荷装置に供給可能な最大電力であり、第2のしきい値Pth2は、1つの蓄電装置で負荷装置に供給可能な最大電力を示す。P1=P2である場合には、Pth2=P1=P2の関係が成立する。さらに、図10では、電力回生時に充電対象となる蓄電装置および充電非対象となる蓄電装置をそれぞれ記号「○」および「×」で示す。
「状態1」および「状態2」は、図7に示した2コンバータ昇圧モードに対応する。状態1では、要求パワーPRに対応する電力は、蓄電装置B1の最大供給電力P1と蓄電装置B2の最大供給電力P2との和に等しい。状態2では、要求パワーPRに対応する電力は、1つの蓄電装置で負荷装置に供給可能な最大電力であるPth2以上、かつ、2つの蓄電装置で負荷装置に供給可能な最大電力(すなわちP1+P2)よりも小さい。なお、P1=P2の場合には、Pth2=P1=P2となる。
これらの状態では、蓄電装置B1(またはB2)のみでは、要求パワーPRに対応する電力を供給できないので、コンバータ10,12の両方が起動して昇圧動作を行なう。これにより、蓄電装置B1,B2から要求パワーPRの半分ずつ(PR/2)電力が取り出され、それらの電力が負荷装置に供給される。「状態1」は、最大供給電力(=P1+P2)に対する要求パワーの比が100%となる状態であり、蓄電装置B1,B2からそれぞれ最大供給電力P1,P2が供給される。よって、このときに本実施の形態による電源システムの出力が最大となる。
また、「状態1」および「状態2」の各々では、電力回生時においてもコンバータ10,12が降圧動作を行なう。これにより蓄電装置B1,B2がともに充電される。
「状態3」および「状態4」は、図8に示した1コンバータ昇圧モードに対応する。これらの状態では、要求パワーPRに対応する電力が、上記のしきい値Pth1以上であり、かつ、しきい値Pth2より小さい。したがって、コンバータ10,12の一方が起動するが他方は停止する。停止しているコンバータでは、トランジスタが停止しているだけでなく、ダイオードも逆バイアス状態となっているので、その停止したコンバータに対応する蓄電装置から負荷装置への電力供給、および負荷装置から、その蓄電装置への電力供給(回生)は行なわれない。すなわち、コンバータ10,12の一方が昇圧動作することによって、そのコンバータに対応する蓄電装置が負荷装置に電力供給(放電)を行なうとともに、そのコンバータが降圧動作を行なうことで、対応する蓄電装置が充電される。
なお、この動作モードでは、蓄電装置B1,B2の一方のみから電力が取り出されるため、上述のように残存容量の偏差が拡大する。そこで、この動作モードでは、偏差が拡大して一定値に達した場合には、起動対象のコンバータを切換えることによって、電力が取り出される蓄電装置を切換える。
「状態5」および「状態6」は、図9に示した非昇圧モードに対応する。これらの状態では、要求パワーPRに対応する電力がしきい値Pth1より小さい。さらに、コンバータ10,12の両方が停止しているため、蓄電装置B1,B2からの電力は、ダイオードD1,D3からなるダイオードOR回路を介して負荷装置に成り行きで供給される。
残存容量の偏差が拡大した場合、コンバータ10,12の状態は、上記の「状態3」または「状態4」に移行され、各蓄電装置からの電力供給の配分が補正されるようコンバータ10,12が動作する。これによって、残量容量の大きいほうの蓄電装置から電力が取り出されるため、残存容量の偏差が補正される。
また、残存容量の偏差の補正は、電力回生時にも行なわれる。この場合、残存容量の小さいほう(すなわち多くの電力が取り出されたほう)の蓄電装置に対応するコンバータにおいて、上アームを構成するトランジスタ(Q1またはQ3)がオンされる。これによりその蓄電装置が充電されるので、残存容量の偏差を補正できる。
図11に示すように、P1+P2に対するしきい値Pth1の比をAとする。この比Aあるいはしきい値Pth1は、上述のように実験などによって求められる。また、この例ではP1=P2であるので、P1+P2に対するしきい値Pth2の比は50%となる。P1とP2とが異なる場合には、小さいほうの値をしきい値Pth2とすればよい。
図12は、非昇圧モードにおいて蓄電装置B1,B2の残存容量を揃えるための制御を説明する図である。この制御も制御部106がコンバータ10,12を制御することによって実現される。
図12を参照して、非昇圧モードでは、コンバータ10,12が停止している。この状態を、図12に示したモード遷移における基準の状態(モード)とする。
蓄電装置B1,B2から成り行きで負荷装置に電力が供給された結果、残存容量SOC2が残存容量SOC1に比較して大幅に小さくなり、その残存容量SOC1,SOC2の偏差が一定値以上になったとする(SOC1>>SOC2)。この場合、コンバータ10,12のモードが1コンバータ昇圧モードに遷移し、コンバータ10が起動する。コンバータ10が起動した状態は上述の「状態3」に対応する。コンバータ10の起動によって、蓄電装置B1から多くの電力が取り出される。これによって、残存容量SOC1と残存容量SOC2とが等しくなる(SOC1=SOC2)。コンバータ10,12のモードは1コンバータ昇圧モードから非昇圧モードに遷移し、コンバータ10,12が停止する。
また、コンバータ10が起動した状態、すなわちSOC1>>SOC2である状態で、モータジェネレータMG1,MG2による回生(発電)が行なわれた場合、コンバータ10,12のモードは1コンバータ昇圧モードから非昇圧モードに遷移する。この場合、コンバータ12の上アーム(トランジスタQ3)がオンする。コンバータ12の上アームがオンした状態は上述の「状態6」に対応する。コンバータ12の上アームがオンすることで蓄電装置B2が充電される。残存容量SOC2が上昇して残存容量SOC1に等しくなるとコンバータ10,12が停止する。
同様に、蓄電装置B1,B2から成り行きで負荷装置に電力が供給された結果、残存容量SOC1が残存容量SOC2に比較して大幅に小さくなり、その残存容量SOC1,SOC2の偏差が一定値以上になったとする(SOC1<<SOC2)。この場合、コンバータ10,12のモードが1コンバータ昇圧モードに遷移し、コンバータ12が起動する。コンバータ12が起動した状態は上述の「状態4」に対応する。コンバータ12の起動によって、蓄電装置B2から多くの電力が取り出される。これによって、残存容量SOC1と残存容量SOC2とが等しくなる(SOC1=SOC2)。この場合にも、コンバータ10,12のモードは1コンバータ昇圧モードから非昇圧モードに遷移し、コンバータ10,12が停止する。
また、コンバータ12が起動した状態、すなわちSOC1<<SOC2である状態で、モータジェネレータMG1,MG2による回生が行なわれた場合、コンバータ10,12のモードは1コンバータ昇圧モードから非昇圧モードに遷移する。この場合、コンバータ10の上アーム(トランジスタQ1)がオンする。コンバータ10の上アームがオンした状態は上述の「状態5」に対応する。コンバータ10の上アームがオンすることで蓄電装置B1が充電される。残存容量SOC1が上昇して残存容量SOC2に等しくなるとコンバータ10,12が停止する。
図13は、1コンバータ昇圧モードにおいて蓄電装置B1,B2の残存容量を揃えるための制御を説明する図である。この制御も制御部106がコンバータ10,12を制御することによって実現される。
図13を参照して、まず、コンバータ10が起動した状態(状態3)が生じているとする。この場合、蓄電装置B1のみから電力が取り出される。これによって残存容量SOC1が残存容量SOC2に比較して大幅に小さくなり、その残存容量SOC1,SOC2の偏差が一定値以上になったとする(SOC1<<SOC2)。この場合、コンバータ12が起動状態(状態4)になるとともに、コンバータ10が停止状態になる。
一方、コンバータ12の動作によって、蓄電装置B2のみから電力が取り出された結果、残存容量SOC2が残存容量SOC1に比較して大幅に小さくなり、その残存容量SOC1,SOC2の偏差が一定値以上になったとする(SOC1>>SOC2)。この場合、コンバータ12が停止状態になるとともに、コンバータ10が起動状態となる。つまり、1コンバータ昇圧モードでは、コンバータ10,12の動作が切り換わる。
本実施の形態におけるコンバータ10,12の制御について総括的に説明する。制御部106は、要求パワーPRが第1のしきい値Pth1より小さいときにはコンバータ10,12の動作を停止する。このモードでは、コンバータ10、12を動作させることなく要求パワーPRに対応する電力を蓄電装置B1、B2から取り出すことができる。コンバータ10,12の双方を停止させることによって、コンバータ10,12全体の損失を低減することができる。
さらに、制御部106は、要求パワーPRが第1のしきい値Pth1より大きく、かつ第2のしきい値Pth2よりも小さい場合には、コンバータ10,12の一方を動作させ、他方を停止させる。蓄電装置B1、B2の一方のみから要求パワーPRに対応する電力を取り出せる場合に、その蓄電装置に対応するコンバータのみを動作させることで、他方のコンバータでの損失を生じなくさせることができるので、コンバータ10,12の全体の損失を低減させることができる。
さらに制御部106は、残存容量SOC1,SOC2の偏差が一定値以上である場合、残存容量SOC1,SOC2が揃うように、残存容量が大きい蓄電装置から電力を多く取り出したり、残存容量が小さい蓄電装置に充電が行なわれたりするようにコンバータ10,12を制御する。これによって、残存容量が小さい蓄電装置から電力が取り出され続けた結果、電源システムから要求パワーPRに対応する電力を負荷装置に供給できなくなる事態を回避することができる。
なお本実施の形態においては、動力分割機構4を用いてエンジン2の動力がモータジェネレータMG1と車輪6とに分配される、いわゆるシリーズ/パラレル型のハイブリッド車両について説明したが、エンジン2の動力をモータジェネレータMG1による発電のみに用い、モータジェネレータMG2のみを用いて車両の駆動力を発生する、いわゆるシリーズ型のハイブリッド車両にも、この発明は適用可能である。
また、この発明は、エンジン2を備えずに電力のみで走行する電気自動車や、電源として燃料電池をさらに備える燃料電池車にも適用可能である。
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、上記した実施の形態の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。
2 エンジン、4 動力分割機構、6 車輪、10,12 コンバータ、20,22 インバータ、32 コンバータ制御部、34,36 インバータ制御部、40,50 監視ユニット、42,44,46 電圧センサ、52,54 電流センサ、62,64 温度センサ、100 ハイブリッド車両、102,104 変調波生成部、106 制御部、108,110 駆動信号生成部、B1,B2 蓄電装置、C コンデンサ、D1〜D4 ダイオード、L1,L2 リアクトル、MG1,MG2 モータジェネレータ、NL 負極ライン、PL1〜PL3 正極ライン、Q1〜Q4 トランジスタ。
Claims (5)
- 複数の蓄電装置を備え、かつ負荷装置に電力を供給する電源システムであって、
第1の蓄電装置と前記負荷装置との間に設けられ、その動作時において前記第1の蓄電装置からの電圧を変換して前記負荷装置へ出力し、その停止時において前記第1の蓄電装置からの電圧を直接的に前記負荷装置へ出力する第1の電圧変換装置と、
前記第2の蓄電装置と前記負荷装置との間に設けられ、その動作時において前記第2の蓄電装置からの電圧を変換して前記負荷装置へ出力し、その停止時において前記第2の蓄電装置からの電圧を直接的に前記負荷装置へ出力する第2の電圧変換装置と、
前記電源システムに対する要求パワーがしきい値よりも小さい場合には、前記第1および第2の電圧変換装置が停止する一方で、前記要求パワーが前記しきい値より大きい場合には、前記第1および第2の電圧変換装置の少なくとも一方が動作するように前記第1および第2の電圧変換装置を制御するとともに、前記第1の蓄電装置の残存容量と前記第2の蓄電装置の残存容量との偏差が拡大した場合には、前記偏差が低減するように前記第1および第2の電圧変換装置を制御する制御部とを備える、電源システム。 - 前記制御部は、前記要求パワーが前記しきい値より小さく、かつ、前記偏差が拡大した場合には、前記第1および第2の蓄電装置のうち残存容量の高いほうの蓄電装置に対応する電圧変換装置を起動させて前記負荷装置に電力を供給することで前記偏差を低減する、請求項1に記載の電源システム。
- 前記制御部は、前記要求パワーが前記しきい値よりも大きく、かつ、前記要求パワーが前記第1および第2の蓄電装置のいずれか一方の蓄電装置から出力可能である場合には、前記偏差が所定値に達するまで前記要求パワーを出力可能な蓄電装置に対応する電圧変換装置を動作させるとともに他方の蓄電装置に対応する電圧変換装置を停止させ、前記偏差が所定値に達すると、動作状態の電圧変換装置と停止状態の電圧変換装置とを相互に切換えることで前記偏差を低減する、請求項1または2に記載の電源システム。
- 前記負荷装置は、電力と機械的動力とを相互に変換可能な装置であって、
前記制御部は、機械的動力により前記負荷装置が電力を発生した場合、前記第1および第2の蓄電装置のうち残存容量が低いほうの蓄電装置が充電されるよう前記第1および第2の電圧変換装置を制御することで前記偏差を低減する、請求項1から3のいずれか1項に記載の電源システム。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の電源システムと、
前記負荷装置とを備え、
前記負荷装置は、
前記電源システムから電力が供給される駆動装置と、
前記駆動装置によって駆動される電動機とを含み、
前記電動機によって駆動される車輪をさらに備える、車両。
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