JP2010004667A - 電源システム - Google Patents
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Abstract
【課題】電源システムを構成する複数の蓄電部に性能ばらつきが生じるのを抑制する。
【解決手段】コンバータ8−1は主蓄電部6−0と主正母線MPLおよび主負母線MNLとの間で電力変換動作を行ない、コンバータ8−2はスイッチ回路SW1,SW2を介して選択的に接続された副蓄電部6−1,6−2のいずれか一方と主正母線MPLおよび主負母線MNLとの間で電力変換動作を行なう。コンバータECU2は、各蓄電部の劣化度の指標として、充放電電流検出部10−0,10−1,10−1からの充放電電流値Ib_m,Ib_s1,Ib_s2を用いて、各蓄電部についての使用を開始した時点からの放電電流の積算値を算出する。コンバータECU2は、電源システム1と駆動力発生部3との間で授受される電力の目標値を設定すると、相対的に劣化度が小さい蓄電部から充放電させる電力が相対的に大きくなるように電力配分を決定する。
【選択図】図1
【解決手段】コンバータ8−1は主蓄電部6−0と主正母線MPLおよび主負母線MNLとの間で電力変換動作を行ない、コンバータ8−2はスイッチ回路SW1,SW2を介して選択的に接続された副蓄電部6−1,6−2のいずれか一方と主正母線MPLおよび主負母線MNLとの間で電力変換動作を行なう。コンバータECU2は、各蓄電部の劣化度の指標として、充放電電流検出部10−0,10−1,10−1からの充放電電流値Ib_m,Ib_s1,Ib_s2を用いて、各蓄電部についての使用を開始した時点からの放電電流の積算値を算出する。コンバータECU2は、電源システム1と駆動力発生部3との間で授受される電力の目標値を設定すると、相対的に劣化度が小さい蓄電部から充放電させる電力が相対的に大きくなるように電力配分を決定する。
【選択図】図1
Description
この発明は、電源システムに関し、より特定的には、複数の蓄電部を備えた電源システムに関する。
近年、環境問題を考慮して、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池車などのように、電動機を駆動力源とする車両が注目されている。このような車両には、電動機に電力を供給したり、回生制動時に運動エネルギーを電気エネルギーに変換して蓄電したりするために、二次電池や電気二重層キャパシタなどからなる蓄電部が搭載されている。
このような電動機を駆動力源とする車両においては、加速性能や走行持続距離などの走行性能を高めるために、蓄電部の充放電容量を大きくすることが望ましい。蓄電部の充放電容量を大きくするための方法として、複数の蓄電部を搭載する構成が提案されている。
たとえば、特開平9−233710号公報(特許文献1)には、交流電源を整流する充電用整流回路と、この充電用整流回路と逆並列に接続され、複数に分割された蓄電池の電気量を上記交流電源に回生する回生用整流回路と、上記充電用整流回路と上記分割された蓄電池との間に設けられた複数の昇降圧コンバータとを具備する蓄電池化成用充放電装置が開示される。これによれば、複数の昇降圧コンバータは、複数に分割された蓄電池の充電または放電を個別に行なうことができる。
特開平9−233710号公報
特開平11−252812号公報
特開平5−130742号公報
ここで、蓄電部は、充放電回数、環境温度、不使用期間、放電の深さ等により電解液が化学変化を生じて劣化する。そして、蓄電部の劣化が進行すると、その充放電性能が低下してしまう。そのため、上述したような複数の蓄電部を搭載した構成においては、蓄電部ごとの使用履歴に依存して、蓄電部間で劣化度に差異が生じ、性能ばらつきが発生する可能性がある。特に、一部の蓄電部についての劣化度が大きい場合には、蓄電部全体として所望の充放電性能が得られないため、車両の走行性能を高めることが困難となる。しかしながら、上述した特開平9−233710号公報は、このような課題に対する解決手段を開示していない。
それゆえ、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、複数の蓄電部の間で性能ばらつきが生じるのを抑制可能な電源システムを提供することである。
この発明のある局面に従えば、電源システムは、各々が充放電可能に構成された複数の蓄電機構と、負荷装置と複数の蓄電機構との間で電力を授受可能に構成された電力線と、複数の蓄電機構と電力線との間にそれぞれ設けられ、各々が対応の蓄電機構と電力線との間で電圧変換動作を行なう複数の電圧変換部と、複数の電圧変換部における電圧変換動作を制御する制御装置とを備える。制御装置は、複数の蓄電機構の各々についての劣化度を検出する劣化度検出手段と、劣化度検出手段によって検出された各蓄電機構の劣化度に応じて、劣化度が相対的に小さい蓄電機構が分担すべき電力が相対的に大きくなるように、各蓄電機構に分担させる電力配分を決定する電力配分決定手段と、電力配分決定手段によって決定された電力配分に従って各蓄電機構から充放電されるように対応の電圧変換部を制御する電圧変換制御手段とを含む。
好ましくは、複数の蓄電機構のうち第1の蓄電機構は、対応の電圧変換部に対して並列接続される複数の蓄電部を含む。電源システムは、複数の蓄電部のうちいずれか1つを選択して第1の蓄電機構に対応する電圧変換部に接続するための切換機構をさらに備える。劣化度検出手段は、複数の蓄電部の各々についての劣化度を検出する。電力配分決定手段は、劣化度検出手段によって検出された複数の蓄電部および残余の蓄電機構の各々についての劣化度に応じて、劣化度が相対的に小さい蓄電部または蓄電機構が分担すべき電力が相対的に大きくなるように、選択されたいずれか1つの蓄電部および残余の蓄電機構の各々に分担させる電力配分を決定する。
好ましくは、制御装置は、電力配分決定手段によって決定された、いずれか1つの蓄電部が分担すべき電力が、当該蓄電部の放電許容電力を超える場合には、残余の蓄電部のうちのいずれか1つを選択して第1の蓄電機構に対応する電圧変換部に接続するように、切換機構を制御する切換制御手段をさらに含む。
好ましくは、切換制御手段は、負荷装置が起動されると、劣化度検出手段によって検出された各蓄電部の劣化度に応じて、劣化度が最も小さい蓄電部を選択して第1の蓄電機構に対応する電圧変換部に接続するように、切換機構を制御する。
好ましくは、電源システムは、外部電源からの電力を受けて複数の蓄電機構を外部充電するための充電部をさらに備える。電圧変換制御手段は、複数の蓄電機構が外部電源により充電可能な状態にされたときに、劣化度検出手段によって検出された各蓄電機構の劣化度に応じて、劣化度が相対的に小さい蓄電機構の充電を優先させるように、複数の電圧変換部の電圧変換動作を制御する。
好ましくは、負荷装置は、電源システムから供給される電力を受けて駆動力を発生する駆動力発生部を含む。電力配分決定手段は、駆動力発生部から要求される駆動電力の目標値に対して、各蓄電機構に分担させる電力配分を決定する。
この発明によれば、電源システムを構成する複数の蓄電部の間で性能ばらつきが生じるのを抑制することができる。
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。
[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1に従う電源システム1を備える車両の要部を示す概略構成図である。
図1は、この発明の実施の形態1に従う電源システム1を備える車両の要部を示す概略構成図である。
図1を参照して、実施の形態1においては、車両の駆動力を発生する駆動力発生部3を負荷装置とする場合について例示する。そして、車両は、電源システム1から駆動力発生部3へ供給される電力により生じる駆動力を車輪(図示せず)に伝達することで走行する。また、車両は、回生時において、駆動力発生部3によって運動エネルギーから電力を生じさせて電源システム1に回収する。
実施の形態1においては、複数の蓄電部として、3つの蓄電部を備える電源システム1について説明する。電源システム1は、主正母線MPLおよび主負母線MNLを介して、駆動力発生部3との間で直流電力の授受を行なう。なお、以下の説明においては、電源システム1から駆動力発生部3へ供給される電力を「駆動電力」とも称し、駆動力発生部3から電源システム1へ供給される電力を「回生電力」とも称す。
駆動力発生部3は、第1インバータ(INV1)30−1と、第2インバータ(INV2)30−2と、第1モータジェネレータMG1と、第2モータジェネレータMG2と、駆動ECU(Electronic Control Unit)32とを備える。
インバータ30−1,30−2は、主正母線MPLおよび主負母線MNLに並列接続され、それぞれ電源システム1との間で電力の授受を行なう。すなわち、インバータ30−1,30−2は、それぞれ主正母線MPLおよび主負母線MNLを介して受ける駆動電力(直流電力)を交流電力に変換してモータジェネレータMG1,MG2へ供給する一方、モータジェネレータMG1,MG2が発電する交流電力を直流電力に変換して回生電力として電源システム1へ供給する。なお、インバータ30−1,30−2は、一例として、三相分のスイッチング素子を含むブリッジ回路で構成され、それぞれ駆動ECU32から受けたスイッチング指令PWM1,PWM2に応じて、スイッチング(回路開閉)動作を行なうことで、三相交流電力を発生する。
モータジェネレータMG1,MG2は、それぞれインバータ30−1,30−2から供給される交流電力を受けて回転駆動力を発生可能であるとともに、外部からの回転駆動力を受けて発電可能に構成される。一例として、モータジェネレータMG1,MG2は、永久磁石が埋設されたロータを備える三相交流回転電機である。そして、モータジェネレータMG1,MG2は、それぞれ動力伝達機構34と連結され、発生した駆動力を駆動軸36によって車輪(図示せず)へ伝達する。
なお、駆動力発生部3がハイブリッド車両に適用される場合には、モータジェネレータMG1,MG2は、動力伝達機構34または駆動軸36を介して図示しないエンジンとも連結される。そして、駆動ECU32によって、エンジンの発生する駆動力とモータジェネレータMG1,MG2の発生する駆動力とが最適な比率となるように制御が実行される。このようなハイブリッド車両に適用される場合には、モータジェネレータMG1を専ら発電機として機能させ、モータジェネレータMG2を専ら電動機として機能させることもできる。
駆動ECU32は、予め格納されたプログラムを実行することで、図示しない各センサから送信された信号、走行状況、アクセル開度の変化率、および格納しているマップなどに基づいて、モータジェネレータMG1,MG2のトルク目標値TR1,TR2および回転数目標値MRN1,MRN2を算出する。そして、駆動ECU32は、モータジェネレータMG1,MG2の発生トルクおよび回転数がそれぞれトルク目標値TR1,TR2および回転数目標値MRN1,MRN2となるように、スイッチング指令PWM1,PWM2を生成してインバータ30−1,30−2を制御する。また、駆動ECU32は、算出したトルク目標値TR1,TR2および回転数目標値MRN1,MRN2を電源システム1へ出力する。
(電源システムの構成)
電源システム1は、平滑コンデンサCと、入出力電流検出部16と、入出力電圧検出部18と、第1コンバータ(CONV1)8−1と、第2コンバータ(CONV2)8−2と、主蓄電部6−0と、第1副蓄電部6−1と、第2副蓄電部6−2と、第1スイッチ回路SW1と、第2スイッチ回路SW2と、充放電電流検出部10−0,10−1,10−2と、充放電電圧検出部12−0,12−1,12−2と、温度検出部14−0,14−1,14−2と、コンバータECU2と、電池ECU4とを備える。
電源システム1は、平滑コンデンサCと、入出力電流検出部16と、入出力電圧検出部18と、第1コンバータ(CONV1)8−1と、第2コンバータ(CONV2)8−2と、主蓄電部6−0と、第1副蓄電部6−1と、第2副蓄電部6−2と、第1スイッチ回路SW1と、第2スイッチ回路SW2と、充放電電流検出部10−0,10−1,10−2と、充放電電圧検出部12−0,12−1,12−2と、温度検出部14−0,14−1,14−2と、コンバータECU2と、電池ECU4とを備える。
平滑コンデンサCは、主正母線MPLと主負母線MNLとの間に接続され、コンバータ8−1,8−2から出力される駆動電力および駆動力発生部3から供給される回生電力に含まれる変動成分を低減する。
入出力電流検出部16は、主正母線MPLおよび主負母線MNLのいずれか一方に介挿され、駆動力発生部3との間で授受される駆動電力および回生電力の入出力電流値Ihを検出し、その検出結果をコンバータECU2へ出力する。
入出力電圧検出部18は、主正母線MPLと主負母線MNLとの間に接続され、駆動力発生部3との間で授受される駆動電力および回生電力の入出力電圧値Vhを検出し、その検出結果をコンバータECU2へ出力する。
コンバータ8−1は、主正母線MPLおよび主負母線MNLと、主蓄電部6−0との間に設けられ、主蓄電部6−0と主正母線MPLおよび主負母線MNLとの間で電力変換動作を行なう。具体的には、コンバータ8−1は、主蓄電部6−0からの放電電力を所定の電圧に昇圧して駆動電力として供給する一方、駆動力発生部3から供給される回生電力を所定の電圧に降圧して主蓄電部6−0を充電する。
コンバータ8−2は、主正母線MPLおよび主負母線MNLと、副蓄電部6−1,6−2との間に設けられ、スイッチ回路SW1,SW2を介して択一的に接続された副蓄電部6−1,6−2のいずれか一方との間で電力変換動作を行なう。具体的には、コンバータ8−2は、副蓄電部6−1,6−2のいずれか一方からの放電電力を所定の電圧に昇圧して駆動電力として供給する一方、駆動力発生部3から供給される回生電力を所定の電圧に降圧して当該副蓄電部を充電する。なお、コンバータ8−1,8−2は、一例として、昇降圧チョッパ回路により構成される。
主蓄電部6−0は、コンバータ8−1を介して、主正母線MPLおよび主負母線MNLに並列接続される。第1副蓄電部6−1は、コンバータ8−2を介して、主正母線MPLおよび主負母線MNLに並列接続される。第2副蓄電部6−2は、コンバータ8−2に対して副蓄電部6−1と並列に接続される。一例として、主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの充放電可能に構成された二次電池、もしくは電気二重層キャパシタからなる。
本実施の形態に従う電源システム1において、主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2は、主正母線MPLおよび主負母線MNLとの間の電力授受において主副関係を有している。詳細には、主蓄電部6−0は、駆動力発生部3およびECU等の補機類への電力供給源として、定常的に主正母線MPLおよび主負母線MNLとの間で電力授受を行なうように構成される。これに対して副蓄電部6−1,6−2は、主蓄電部6−0を補助するために、対応するスイッチ回路を導通させた場合に、一時的に主正母線MPLおよび主負母線MNLとの間で電力の授受を行なうように構成される。
詳細には、スイッチ回路SW1,SW2は、それぞれコンバータ8−2と副蓄電部6−1,6−2との間に設けられ、コンバータECU2からの信号SE1,SE2に応答して、対応する副蓄電部とコンバータ8−2とを電気的に接続または遮断する。スイッチ回路SW1,SW2は、たとえば、制御電極を有するパワー半導体素子を含む開閉スイッチ、あるいは機械式接点を有するリレーからなる。スイッチ回路SW1,SW2は、それぞれコンバータECU2からの信号SE1,SE2に応答して導通または非導通することにより、スイッチ回路SW1のみを導通させた状態、スイッチ回路SW2のみを導通させた状態、およびスイッチ回路SW1,SW2をともに非導通させた状態が選択的に切換えられる。なお、スイッチ回路SW1,SW2の導通・非導通は、後述する方法によって、主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2の電池状態に基づいて制御される。
充放電電流検出部10−0は、主蓄電部6−0とコンバータ8−1とを接続する一方の電力線PLに介挿され、主蓄電部6−0の充放電時に用いられる充放電電流値Ib_mを検出し、その検出結果を電池ECU4およびコンバータECU2へ出力する。
充放電電流検出部10−1,10−2は、それぞれ副蓄電部6−1,6−2とコンバータ8−2とを接続する一方の電力線PL1,PL2に介挿され、副蓄電部6−1,6−2の充放電時に用いられる充放電電流値Ib_s1,Ib_s2を検出し、その検出結果を電池ECU4およびコンバータECU2へ出力する。
充放電電圧検出部12−0は、主蓄電部6−0とコンバータ8−1とを接続する電力線PL,SL間に接続され、主蓄電部6−0の充放電電圧値Vb_mを検出し、その検出結果を電池ECU4およびコンバータECU2へ出力する。
充放電電圧検出部12−1,12−2は、それぞれ副蓄電部6−1,6−2とコンバータ8−2とを接続する電力線間に接続され、主蓄電部6−1,6−2の充放電電圧値Vb_s1,Vb_s2を検出し、その検出結果を電池ECU4およびコンバータECU2へ出力する。
温度検出部14−0,14−1,14−2は、それぞれ主蓄電部6−0,副蓄電部6−1,6−2を構成する電池セルなどに近接して配置され、主蓄電部6−0,副蓄電部6−1,6−2の内部温度である蓄電部温度Tb_m,Tb_s1,Tb_s2を検出し、その検出結果を電池ECU4へ出力する。なお、温度検出部14−0,14−1,14−2は、それぞれ、主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2を構成する複数の電池セルに対応付けて配置された複数の検出素子の検出結果に基づいて、平均化処理などにより代表値を出力するように構成してもよい。
電池ECU4は、充放電電流検出部10−0,10−1,10−2から受けた充放電電流値Ib_m,Ib_s1,Ib_s2と、充放電電圧検出部12−0,12−1,12−2から受けた充放電電圧値Vb_m,Vb_s1,Vb_s2と、温度検出部14−0,14−1,14−2から受けた蓄電池温度Tb_m,Tb_s1,Tb_s2とに基づいて、主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−20のそれぞれにおける充電状態値(SOC:State of Charge)SOC_m,SOC_s1,SOC_s2を算出する。
主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2のSOCを算出する構成については、様々な周知技術を用いることができるが、一例として、電池ECU4は、開回路電圧値から算出される暫定SOCと、充放電電流値の積算値から算出される補正SOCとを加算することでSOCを導出する。具体的には、電池ECU4は、各時点における充放電電流値Ib_m,Ib_s1,Ib_s2および充放電電圧値Vb_m,Vb_s1,Vb_s2から主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2の開回路電圧値を算出し、当該開回路算出値を予め実験的に測定された主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2の基準状態におけるSOCと開回路電圧値との関係を示す基準充放電特性に適用することで、主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2の暫定SOCを算出する。さらに、電池ECU4は、充放電電流値Ib_m,Ib_s1,Ib_s2を積算して補正SOCを算出し、この補正SOCに暫定SOCを加算することでSOCを導出する。
さらに、電池ECU4は、導出した主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2のSOC_m,SOC_s1,SOC_s2に基づいて、許容電力(充電許容電力Win_m,Win_s1,Win_s2および放電許容電力Wout_m,Wout_s1,Wout_s2)を導出する。充電許容電力Win_m,Win_s1,Win_s2および放電許容電力Wout_m,Wout_s1,Wout_s2は、その化学反応的な限界で規定される、各時点における充電電力および放電電力の短時間の制限値である。
そのため、電池ECU4は、予め実験的に取得された主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2のSOCおよび蓄電部温度をパラメータとして規定された許容電力のマップを格納しておき、算出されるSOC_m,SOC_s1,SOC_s2および蓄電部温度Tb_m,Tb_s1,Tb_s2に基づいて、各時点の許容電力を導出する。なお、許容電力を規定するマップには、SOCおよび蓄電部温度以外のパラメータ、例えば蓄電部の劣化度などを含ませることもできる。
そして、電池ECU4は、導出した主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2のSOC_m,SOC_s1,SOC_s2、充電許容電力Win_m,Win_s1,Win_s2および放電許容電力Wout_m,Wout_s1,Wout_s2をコンバータECU2へ出力する。
コンバータECU2は、入出力電流検出部16から受けた入出力電流値Ihと、入出力電圧検出部18から受けた入出力電圧値Vhと、充放電電流検出部10−0,10−1,10−2から受けた充放電電流値Ib_m,Ib_s1,Ib_s2と、充放電電圧検出部12−0,12−1,12−2から受けた充放電電圧値Vb_m,Vb_s1,Vb_s2と、電池ECU4から受けたWin_m,Win_s1,Win_s2,Wout_m,Wout_s1,Wout_s2と、駆動ECU32から受けたトルク目標値TR1,TR2および回転数目標値MRN1,MRN2とに基づいて、後述する制御構造に従ってそれぞれスイッチング指令PWC1,PWC2を生成し、コンバータ8−1,8−2を制御する。
具体的には、コンバータECU2は、主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2の劣化度を検出する。このとき、コンバータECU2は、劣化度を示す指標として、たとえば、充放電電流検出部10−0,10−1,10−1から受けた充放電電流値Ib_m,Ib_s1,Ib_s2を用いて、主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2の各々についての使用を開始した時点からの放電電流の積算値Ah_m,Ah_s1,Ah_s2を算出する。
そして、コンバータECU2は、駆動ECU32から受けたトルク目標値TR1,TR2および回転数目標値MRN1,MRN2とに基づいて、電源システム1と駆動力発生部3との間で授受される電力(駆動電力または回生電力)の目標値を設定すると、各蓄電部の劣化度の検出結果に応じて、当該目標値に対する蓄電部間の電力配分を決定する。
このとき、コンバータECU2は、主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2の間で劣化度を比較し、相対的に劣化度が小さい蓄電部から充放電させる電力が相対的に大きくなるように電力配分を決定する。劣化度の小さい蓄電部の使用頻度を増やすことによって、蓄電部間の劣化度をバランスさせるためである。
そして、コンバータECU2は、入出力電圧値Vhが所定の電圧目標値となるようにスイッチング指令PWC1を生成してコンバータ8−1を制御する(以下、「電圧制御モード」とも称す)。同時に、コンバータECU2は、充放電電流値Ib_s1(またはIb_s2)が所定の電流目標値となるようにスイッチング指令PWC2を生成してコンバータ8−2を制御する(以下、「電流制御モード」とも称す)。
上述のように、コンバータECU2は、主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2の劣化度に応じて、蓄電部間で劣化度をバランスさせるようにコンバータ8−1,8−2を制御する。
実施の形態1においては、駆動力発生部3が「負荷装置」に相当し、主正母線MPLおよび主負母線MNLが「電力線」に相当し、コンバータ8−1,8−2が「複数の電圧変換部」に相当する。そして、コンバータECU2が「劣化度検出手段」、「電力配分決定手段」、および「電圧変換制御手段」を実現する。
図2は、本発明の実施の形態1に従うコンバータ8−1,8−2の概略構成図である。
図2を参照して、コンバータ8−1は、チョッパ回路40−1と、平滑コンデンサC1とからなる。
図2を参照して、コンバータ8−1は、チョッパ回路40−1と、平滑コンデンサC1とからなる。
チョッパ回路40−1は、コンバータECU2(図1)からのスイッチング指令PWC1に応じて、放電時には主蓄電部6−0から受けた直流電力(駆動電力)を昇圧する一方、充電時には主正母線MPLおよび主負母線MNLから受けた直流電力(回生電力)を降圧する。そして、チョッパ回路40−1は、それぞれ正母線LN1Aと、負母線LN1Cと、配線LN1Bと、スイッチング素子であるトランジスタQ1A,Q1Bと、ダイオードD1A,D1Bと、インダクタL1とを含む。
正母線LN1Aは、その一方端がトランジスタQ1Bのコレクタに接続され、他方端が主正母線MPLに接続される。また、負母線LN1Cは、その一方端が主蓄電部6−0の負側に接続され、他方端が主負母線MNLに接続される。
トランジスタQ1AおよびQ1Bは、負母線LN1Cと正母線LN1Aとの間に直列に接続される。そして、トランジスタQ1Aのエミッタは負母線LN1Cに接続され、トランジスタQ1Bのコレクタは正母線LN1Aに接続される。また、各トランジスタQ1A,Q1Bのコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードD1A,D1Bがそれぞれ接続されている。さらに、インダクタL1は、トランジスタQ1AとトランジスタQ1Bとの接続点に接続される。
配線LN1Bは、一方端が主蓄電部6−0の正側に接続され、他方端がインダクタL1に接続される。
平滑コンデンサC1は、配線LN1Bと負母線LN1Cとの間に接続され、配線LN1Bと負母線LN1Cとの間の直流電圧に含まれる交流成分を低減する。
以下、コンバータ8−1の電圧変換動作(昇圧動作および降圧動作)について説明する。昇圧動作時において、コンバータECU2(図1)は、トランジスタQ1Bをオフ状態に維持し、かつ、トランジスタQ1Aを所定のデューティー比でオン・オフさせる。トランジスタQ1Aのオン期間においては、主蓄電部6−0から配線LN1B、インダクタL1、ダイオードD1B、および正母線LN1Aを順に介して、放電電流が主正母線MPLへ流れる。同時に、主蓄電部6−0から配線LN1B、インダクタL1、トランジスタQ1Aおよび負母線LN1Cを順に介して、ポンプ電流が流れる。インダクタL1は、このポンプ電流により電磁エネルギーを蓄積する。続いて、トランジスタQ1Aがオン状態からオフ状態に遷移すると、インダクタL1は、蓄積した電磁エネルギーを放電電流に重畳する。その結果、コンバータ8−1から主正母線MPLおよび主負母線MNLへ供給される直流電力の平均電圧は、デューティー比に応じてインダクタL1に蓄積される電磁エネルギーに相当する電圧だけ昇圧される。
一方、降圧動作時において、コンバータECU2は、トランジスタQ1Bを所定のデューティー比でオン・オフさせ、かつ、トランジスタQ1Aをオフ状態に維持させる。トランジスタQ1Bのオン期間においては、主正母線MPLから正母線LN1A、トランジスタQ1B、インダクタL1、および配線LN1Bを順に介して、充電電流が主蓄電部6−0へ流れる。続いて、トランジスタQ1Bがオン状態からオフ状態に遷移すると、インダクタL1が電流変化を妨げるように磁束を発生するので、充電電流は、ダイオードD1A、インダクタL1、および配線LN1Bを順に介して流れ続ける。一方で、電気エネルギー的に見ると、主正母線MPLおよび主負母線MNLを介して直流電力が供給されるのはトランジスタQ1Bのオン期間だけであるので、充電電流が一定に保たれるとすると(インダクタL1のインダクタンスが十分に大きいとすると)、コンバータ8−1から主蓄電部6−0へ供給される直流電力の平均電圧は、主正母線MPL−主負母線MNL間の直流電圧にデューティー比を乗じた値となる。
このようなコンバータ8−1の電圧変換動作を制御するため、コンバータECU2は、トランジスタQ1Aのオン・オフを制御するスイッチング指令PWC1A、およびトランジスタQ1Bのオン・オフを制御するスイッチング指令PWC1Bからなるスイッチング指令PWC1を生成する。
コンバータ8−2についても上述したコンバータ8−1と同様の構成および動作であるので、詳細な説明は繰返さない。
(制御構造)
以下、コンバータECU2における制御構造についてより詳細に説明を行なう。なお、コンバータECU2は、駆動電力および回生電力にいずれに対しても同様の制御を実行するが、理解を容易にするため、実施の形態1においては、駆動電力についての制御構造を例示して説明する。
以下、コンバータECU2における制御構造についてより詳細に説明を行なう。なお、コンバータECU2は、駆動電力および回生電力にいずれに対しても同様の制御を実行するが、理解を容易にするため、実施の形態1においては、駆動電力についての制御構造を例示して説明する。
図3は、コンバータECU2における制御構造を説明するためのブロック図である。
図3を参照して、コンバータECU2は、放電電流積算値演算部50と、目標値決定部52と、スイッチ制御部54と、除算部56−1,56−2と、減算部54−0,54−1,54−2,60−0,60−1,60−2と、比例制御部(PI)58−0,58−1,58−2と、選択部62と、変調部(MOD)64−1,64−2とを含む。
図3を参照して、コンバータECU2は、放電電流積算値演算部50と、目標値決定部52と、スイッチ制御部54と、除算部56−1,56−2と、減算部54−0,54−1,54−2,60−0,60−1,60−2と、比例制御部(PI)58−0,58−1,58−2と、選択部62と、変調部(MOD)64−1,64−2とを含む。
放電電流積算値演算部50は、充放電電流検出部10−0,10−1,10−1から受けた充放電電流値Ib_m,Ib_s1,Ib_s2を用いて、主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2の各々について、蓄電部の使用を開始した時点からの放電電流の積算値Ah_m,Ah_s1,Ah_s2を算出する。なお、放電電流の積算値は、対応する蓄電部の放電電流を時間的に積分することで得られる。そして、放電電流積算値演算部50は、その算出した放電電流積算値Ah_m,Ah_s1,Ah_s2を目標値決定部52へ出力する。
ここで、上述したように、実施の形態1においては、対応する蓄電部の劣化度を示す指標として、放電電流積算値Ah_m,Ah_s1,Ah_s2が用いられる。すなわち、放電電流積算値が大きいほど蓄電部の劣化度が大きいことから、算出された放電電流積算値を比較することにより、蓄電部間での相対的な劣化度を知ることができる。
なお、蓄電部の劣化度を示す指標としては、この充放電電流積算値の他に、蓄電部の充放電量の積算値あるいは放電電力の積算値を用いることも可能である。また、放電側の電流または電力の積算値に限らず、充電側において、同様の方法によって充電電流積算値または充電電力の積算値を算出する構成としてもよい。
目標値決定部52は、放電電流積算値演算部50から放電電流積算値Ah_m,Ah_s1,Ah_s2の演算結果を受けると、これらの演算結果に応じて、電源システム1と駆動力発生部3との間で授受される電力に対する蓄電部間の電力配分を決定する。
具体的には、目標値決定部52は、駆動ECU32から受けたトルク目標値TR1,TR2および回転数目標値MRN1,MRN2とに基づいて、電源システム1と駆動力発生部3との間で授受される電力(駆動電力または回生電力)の目標値Pb*を導出する。なお、当該目標値Pb*は蓄電部全体の放電電力の目標値であることから、以下では、蓄電部全体の目標放電電力Pb*とも称する。
そして、目標値決定部52は、導出された蓄電部全体の目標放電電力Pb*に対する蓄電部間の電力配分を決定する。このとき、目標値決定部52は、蓄電部の劣化度およびスイッチ回路SW1,SW2(図1)の状態に応じて、主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2の間で電力配分を決定する。
具体的には、目標値決定部52は、スイッチ回路SW1,SW2のそれぞれについて、その状態を示すフラグF_s1,F_s2を設定する。目標値決定部52は、スイッチ回路SW1,SW2が導通状態である場合には、フラグF_s1,F_s2をそれぞれ値1にセットし、スイッチ回路SW1,SW2が非導通状態である場合には、フラグF_s1,F_s2をそれぞれ値0にリセットする。
なお、スイッチ回路SW1,SW2は、上述したように、スイッチ回路SW1のみを導通させた状態、スイッチ回路SW2のみを導通させた状態、およびスイッチ回路SW1,SW2をともに非導通させた状態が選択的に切換えられる。したがって、フラグF_s1,F_s2は、(1,0),(0,1),(0,0)のいずれかの組合わせに設定されることになる。
そして、設定されたフラグF_s1,F_s2を用いることにより、電源システム1からの放電される電力の実績値Pbは、式(1)で表わすことができる。
ただし、Pb_mは主蓄電部6−0の放電電力を示し、Pb_s1は第1副蓄電部6−1の放電電力を示し、Pb_s2は第2副蓄電部6−2の放電電力を示す。
次に、目標値決定部52は、設定したフラグF_s1,F_s2と、放電電流積算値Ah_m,Ah_s1,Ah_s2の演算結果とを用いて、式(2)〜(4)により、各蓄電部が分担すべき放電電力の目標値Pb_m*,Pb_s1*,Pb_s2*を導出する。なお、以下では、各蓄電部が分担すべき放電電力の目標値Pb_m*,Pb_s1*,Pb_s2*を、蓄電部全体の目標放電電力Pb*と区別するために、蓄電部別目標放電電力とも称する。
たとえば式(2)を参照して、主蓄電部6−0の目標放電電力Pb_m*は、蓄電部全体の目標放電電力Pb*に所定の配分比率を積算することによって導出される。このときの所定の配分比率は、主蓄電部6−0の放電電流積算値Ah_mと、残余の蓄電部である副蓄電部6−1,6−2の放電電流積算値Ah_s1,Ah_s2との関係式で表わされている。これによれば、現在コンバータ8−2に接続されている副蓄電部の種別に拘らず、全ての副蓄電部6−1,6−2の放電電流積算値を考慮して、主蓄電部6−0の目標放電電力Pb_m*が導出される。この結果、主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2の間では、相対的に放電電流積算値が小さい、すなわち、相対的に劣化度が小さい蓄電部の目標放電電力が相対的に大きくなるように電力配分が決定されることとなる。これにより、相対的に劣化度が小さい蓄電部の使用頻度が増えるため、蓄電部間の劣化度をバランスさせることができる。
そして、式(2)〜(4)に従って目標放電電力Pb_m*,Pb_s1*,Pb_s2*が導出されると、目標値決定部52は、コンバータ8−1,8−2の制御モードに応じて、電圧目標値および電力目標値を決定する。
具体的には、目標値決定部52は、コンバータ8−1における制御モードを電圧制御モードに設定し、コンバータ8−2における制御モードを電流制御モードに設定する。そして、目標値決定部52は、トルク指令値TR1,TR2および回転数目標値MRN1,MRN2に基づいて、駆動力発生部3(図1)の要求電圧を算出し、電圧目標値Vh*を決定する。また、目標値決定部52は、上述した方法によって導出された副蓄電部6−1,6−2の目標放電電力Pb_s1*,Pb_s2*を、コンバータ8−2が分担すべき電力目標値に決定する。このように目標値決定部52が決定した電圧目標値Vh*および電力目標値Pb_s1*,Pb_s2*は、それぞれ減算部54−0および除算部56−1,56−2へ出力される。
減算部54−0は、電圧目標値Vh*と入出力電圧値Vhとの差から電圧偏差を演算し、比例制御部(PI)58−0へ出力する。比例制御部58−0は、少なくとも比例要素(P:proportional element)および積分要素(I:integral element)を含んで構成され、入力された電圧偏差に応じた操作信号を減算部60−0へ出力する。
減算部60−0は、比例制御部58−0から出力された操作信号を反転させ、主蓄電部6−0の充放電電圧値Vb_m/電圧目標値Vh*(コンバータ8−1における理論昇圧比の逆数)を加算して、デューティー指令(電圧制御モード)Ton1Aを出力する。このデューティー指令Ton1Aは、コンバータ8−1のトランジスタQ1A(図2)のオンデューティーを規定する制御指令である。
変調部64−1は、図示しない発振部が発生する搬送波(キャリア波)とデューティー指令Ton1Aとを比較して、スイッチング指令PWC1Aを生成して、コンバータ8−1を制御する。
また、除算部56−1は、電力目標値Pb_s1*を第1副蓄電部6−1の充放電電圧Vb_s1で除算し、副蓄電部6−1の電流目標値Ib_s1*を演算し、減算部54−1へ出力する。
減算部54−1は、電流目標値Ib_s1*と充放電電流値Ib_s1との差から電流偏差を演算し、比例制御部(PI)58−1へ出力する。比例制御部58−1は、上述した比例制御部58−0と同様に、少なくとも比例要素および積分要素を含んで構成され、入力された電流偏差に応じた操作信号を減算部60−1へ出力する。
減算部60−1は、比例制御部58−1から出力された操作信号を反転させ、第1副蓄電部6−1の充放電電圧値Vb_s1/電圧目標値Vh*(コンバータ8−2における理論昇圧比の逆数)を加算して、デューティー指令(電流制御モード)#Ton2Aを出力する。このデューティー指令#Ton2Aは、副蓄電部6−1がコンバータ8−2に接続された場合のコンバータ8−2におけるトランジスタQ2A(図2)のオンデューティーを規定する制御指令である。
一方、除算部56−2は、電力目標値Pb_s2*を第2副蓄電部6−2の充放電電圧Vb_s2で除算し、第2副蓄電部6−2の電流目標値Ib_s2*を演算し、減算部54−2へ出力する。
減算部54−2は、電流目標値Ib_s2*と充放電電流値Ib_s2との差から電流偏差を演算し、比例制御部(PI)58−2へ出力する。比例制御部58−2は、上述した比例制御部58−0と同様に、少なくとも比例要素および積分要素を含んで構成され、入力された電流偏差に応じた操作信号を減算部60−2へ出力する。
減算部60−2は、比例制御部58−2から出力された操作信号を反転させ、第2副蓄電部6−2の充放電電圧値Vb_s2/電圧目標値Vh*(コンバータ8−2における理論昇圧比の逆数)を加算して、デューティー指令(電流制御モード)%Ton2Aを出力する。このデューティー指令%Ton2Aは、第2副蓄電部6−2がコンバータ8−2に接続されている場合のコンバータ8−2におけるトランジスタQ2A(図2)のオンデューティーを規定する制御指令である。
選択部62は、デューティー指令(第1副蓄電部6−1)#Ton2Aおよびデューティー指令(第2副蓄電部6−2)%Ton2Aを受け、目標値決定部52からのフラグF_s1,F_s2に基づいていずれか1つを選択し、デューティー指令Ton2Aとして変調部64−2へ出力する。具体的には、フラグF_s1が値1であり、フラグF_s2が値0である場合には、選択部62は、デューティー指令#Ton2Aを選択して変調部64−2へ出力する。一方、フラグF_s1が値0であり、フラグF_s2が値1である場合には、選択部62は、デューティー指令%Ton2Aを選択して変調部64−2へ出力する。
さらに、フラグF_s1およびフラグF_s2が値0である場合には、選択部62は、値「0」を選択して変調部64−2へ出力する。なお、値「0」は、デューティー指令Ton2Aをゼロ、すなわちコンバータ8−2のトランジスタQ2Aをオフに維持するために用いられる。
変調部64−2は、図示しない発振部が発生する搬送波(キャリア波)とデューティー指令Ton2Aとを比較して、スイッチング指令PWC2Aを生成して、コンバータ8−2を制御する。
以上に述べたように、コンバータECU2は、主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2の劣化度に応じて蓄電部間の電力配分を決定し、その決定した電力配分に従ってコンバータ8−1,8−2における昇圧動作をそれぞれ制御するためのスイッチング指令PWC1A,PWC2Aを生成する。
このとき、コンバータ8−2においては、スイッチ回路SW1,SW2を介して副蓄電部6−1,6−2のいずれか一方が接続され、当該一方の副蓄電部からの放電電力が目標放電電力に一致するように、昇圧動作が制御される。
しかしながら、コンバータ8−2に接続された一方の副蓄電部においては、目標放電電力が放電許容電力を超過するケースが生じる可能性がある。このようなケースが発生すると、当該一方の副蓄電部に対して放電制限を行なう必要がある。
このため、本実施の形態では、上記の電力配分に並行して、各蓄電部に対して放電制限が必要であるか否かを判断する構成とする。このような構成としたことにより、上述したようなケースが生じた場合には、目標値決定部52およびスイッチ制御部54により、コンバータ8−2に接続されていない他方の副蓄電部の放電許容電力に応じて、当該他方の副蓄電部から目標放電電力を放電させるように、スイッチ回路SW1,SW2の導通・非導通が制御される。
具体的には、たとえば、コンバータ8−2に第1副蓄電部6−1が接続された状態であって、目標放電電力Pb_s1*が第1副蓄電部6−1の放電許容電力Wout_s1を超える場合には、目標値決定部52は、目標放電電力Pb_s1*が第2副蓄電部6−2の放電許容電力Wout_s2を下回るか否かを判定する。そして、目標放電電力Pb_s1*が第2副蓄電部6−2の放電許容電力Wout_s2を下回る場合には、目標値決定部52は、フラグF_s1を値0にリセットする一方で、フラグF_s2を値1にセットする。
スイッチ制御部54は、目標値決定部52からのフラグF_s1,F_s2に応じて、スイッチ回路SW1を非導通させるための信号SE1およびスイッチ回路SW2を導通させるための信号SE2を出力する。これにより、コンバータ8−2に接続される副蓄電部が第1副蓄電部6−1から第2副蓄電部6−2に切り換えられるため、第1副蓄電部6−1が過放電となるのを回避することができる。
図4は、コンバータ8−1,8−2がそれぞれ電圧制御モードと電流制御モードで動作する場合の電力分担を示す図である。
図4(a)は、コンバータ8−2に第1副蓄電部6−1が接続されている場合であり、図4(b)は、コンバータ8−2に第2副蓄電部6−2が接続されている場合である。
図4(a)を参照して、コンバータ8−2に第1副蓄電部6−1が接続されている場合において、駆動力発生部3が駆動電力PLを消費するときには、コンバータ8−1,8−2はそれぞれ駆動電力Pb_m,Pb_s1を分担する。ここで、コンバータ8−2は、充放電電流値Ib_s1が上述した電流目標値Ib_s1*(図3)となるように制御される(電流制御モード)ため、その供給する駆動電力Pb_s1は上述した電力目標値Pb_s1*(図3)となる。一方、コンバータ8−1は、入出力電圧値Vhが上述した電圧目標値Vh*(図3)となるように制御される(電圧制御モード)。ここで、コンバータ8−1が供給する駆動電力Pb_mの制御については、コンバータ8−2に対する電力目標値Pb_s1*を制御することにより同時に行なうことができる。すなわち、駆動電力Pb_m=駆動電力PL−駆動電力Pb_s1の関係が成立するので、各時点の駆動電力PLに応じて電力目標値Pb_s1*(電流目標値Ib_s1*)を適切に設定することで、コンバータ8−2のみならず、コンバータ8−1についての電力管理を高い精度で実現できる。
図4(b)を参照して、コンバータ8−2に第2副蓄電部6−2が接続されている場合であっても、コンバータ8−2に対する電力目標値Pb_s2*を制御することにより、コンバータ8−1が供給する駆動電力Pb_mの制御についても同時に行なうことができる。
図5は、コンバータECU2における電圧変換動作を実現するための制御構造を示すフローチャートである。
図5を参照して、コンバータECU2は、電池ECU4から放電許容電力Wout_s1,Wout_s2を取得する(ステップS01)。また、コンバータECU2は、充放電電流検出部10−0,10−1,10−1から受けた充放電電流値Ib_m,Ib_s1,Ib_s2に基づいて、主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2の各々について、使用を開始した時点からの放電電流の積算値Ah_m,Ah_s1,Ah_s2を取得する(ステップS02)。さらに、コンバータECU2は、スイッチ回路SW1,SW2の状態を示すフラグF_s1,F_s2を取得する(ステップS03)。
次に、コンバータECU2は、駆動ECU32から受けたトルク目標値TR1,TR2および回転数目標値MRN1,MRN2とに基づいて、蓄電部全体の目標放電電力Pb*を演算すると(ステップS04)、ステップS02で取得した各蓄電部についての放電電流積算値およびステップS03で取得したフラグF_s1,F_s2に応じて、蓄電部全体の目標放電電力Pb*に対する蓄電部間の電力配分を決定する(ステップS05)。
ステップS05において、蓄電部別の目標放電電力Pb_m*,Pb_s1*,Pb_s2*が導出されると、コンバータECU2は、導出された蓄電部別の目標放電電力と対応する蓄電部の放電許容電力との大小関係を判定する。具体的には、コンバータECU2は、フラグF_s1が値1であり、かつ、第1副蓄電部6−1の目標放電電力Pb_s1*と副蓄電部6−1,6−2の放電許容電力Wout_s1,Wout_s2との間に、Wout_s2>Pb_s1*>Wout_s1の関係が成り立つか否かを判定する(ステップS06)。上記の関係が成り立つ場合(ステップS06においてYESの場合)には、コンバータECU2は、フラグF_s1を値0にリセットする一方で、フラグF_s2を値1にセットする(ステップS08)。
一方、上記の関係が成り立たない場合(ステップS06においてNOの場合)には、コンバータECU2はさらに、フラグF_s2が値1であり、かつ、第2副蓄電部6−2の目標放電電力Pb_s2*と副蓄電部6−1,6−2の放電許容電力Wout_s1,Wout_s2との間に、Wout_s1>Pb_s2*>Wout_s2の関係が成り立つか否かを判定する(ステップS07)。上記の関係が成り立つ場合(ステップS07においてYESの場合)には、コンバータECU2は、フラグF_s1を値1にセットする一方で、フラグF_s2を値0にリセットする(ステップS09)。
これに対して、ステップS07において上記関係が成り立たない場合(ステップS07においてNOの場合)には、コンバータECU2は、現在のフラグF_s1,F_s2の値を維持する(ステップS10)。
そして、ステップS08,S09,S10のいずれかによってフラグF_s1,F_s2の値がセット/リセットされると、コンバータECU2は、フラグF_s1,F_s2に従ってスイッチ回路SW1,SW2の導通・非導通を制御する(ステップS11)。さらに、コンバータ8−2と副蓄電部6−1,6−2との接続状態が設定されると、コンバータECU2は、コンバータ8−1を電圧制御モードで制御するとともに、コンバータ8−2を電流制御モードで制御する(ステップS12)。そして、コンバータECU2は、最初の処理に戻る。
以上のように、この発明の実施の形態1によれば、電源システムを構成する複数の蓄電部の劣化度に応じて、相対的に劣化度が小さい蓄電部の目標放電電力が相対的に大きくなるように電力配分が決定される。これにより、相対的に劣化度が小さい蓄電部の使用頻度が増えるため、蓄電部間の劣化度をバランスさせることができる。この結果、複数の蓄電部の性能ばらつきの発生が抑制された電源システムを実現できる。
[実施の形態2]
図6は、この発明の実施の形態2に従う電源システムを備える車両の要部を示す概略構成図である。
図6は、この発明の実施の形態2に従う電源システムを備える車両の要部を示す概略構成図である。
図6を参照して、車両は、電源システム1Aと、駆動力発生部3とを備える。電源システム1Aは、図1に示す電源システム1において、コンバータECU2に代えてコンバータECU2Aを配置したものと等価である。
車両は、主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2を外部充電するための構成として、コネクタ受入部70と、充電部40とをさらに備える。蓄電部に対して外部充電を行なう場合には、外部電源が正供給線PSLpおよび負供給線PSLnを介してコネクタ部80へ電力を供給する。そして、コネクタ部80がコネクタ受入部70に連結されることで、正充電線CPLおよび負充電線CNLを介して外部電源からの電力が充電部40へ供給される。
また、コネクタ受入部70は、コネクタ受入部70とコネクタ部80との連結状態を検出するための連結検出センサ70aを含んでおり、この連結検出センサ70aからの連結信号CONによってコンバータECU2Aは、外部電源により充電可能な状態となったことを検出する。なお、本実施の形態においては、外部電源として単相交流の商用電源が用いられる場合について例示する。外部電源は、商用電源に代えて、もしくはこれに加えて住宅の屋根などに設置された太陽電池パネルによる発電電力などであってもよい。
また、本実施の形態において、「外部電源により充電可能な状態」とは、代表的に、コネクタ部80がコネクタ受入部70に物理的に挿入されている状態を意味する。なお、図6に示す構成に加えて、外部電源と車両とを非接触のまま電磁的に結合して電力を供給する構成、具体的には外部電源側に一次コイルを設けるとともに、車両側に二次コイルを設け、一次コイルと二次コイルとの間の相互インダクタンスを利用して電力供給を行なう構成では、「外部電源により充電可能な状態」とは、一次コイルと二次コイルとが位置あわせされた状態を意味する。
充電部40は、外部電源からの電力を受けて主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2を外部充電するための装置であり、正線PLおよび負線NLと正充電線CPLおよび負充電線CNLとの間に配置される。すなわち、充電部40は、主蓄電部6−0と主蓄電部6−0に対応する第1コンバータ8−1との間に電気的に接続される。
また、充電部40は、電流制御部40aと、電圧制御部40bとを含み、外部電源からの電力を主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2の充電に適した電力に変換する。具体的には、電圧制御部40bは、外部電源の供給電圧を主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2の充電に適した電圧に変換するための装置である。また、電流制御部40aは、電圧変換部40bによる電圧変換後の交流電圧を整流して直流電圧を生成するとともに、コンバータECU2Aからの外部電源に対する目標供給電力PAC*に従って、主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2に対する充電電流を制御する。
コンバータECU2Aは、連結検出センサ50aからの連結信号CONを受けると、充電対象の蓄電部に対応するコンバータのスイッチング指令を生成する。さらに、コンバータECU2Aは、外部電源に対する目標供給電力PAC*を決定して充電部40へ出力する。
充電部40は、電流制御部40aおよび電圧制御部40bによって、外部電源からの電力を充電対象の蓄電部の充電に適した電力に変換する。これにより、充電対象の蓄電部に対して外部電源からの電力が供給される。
このとき、コンバータECU2Aは、充電対象となる蓄電部を、主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2の劣化度に基づいて決定する。具体的には、コンバータECU2Aは、上述した放電電流積算値Ah_m,Ah_s1,Ah_s2の演算結果に基づいて、相対的に放電電流積算値が小さい、すなわち、相対的に劣化度が小さい蓄電部を優先して充電するように、充電対象となる蓄電部を決定する。先の実施の形態1によれば、相対的に劣化度の小さい蓄電部の使用頻度が増えることから、当該蓄電部が過放電となるのを回避するためである。
そして、コンバータECU2Aは、劣化度に応じた優先度に従って充電対象となる蓄電部を決定すると、コンバータ8−1,8−2およびスイッチ回路SW1,SW2を制御する。具体的には、目標値決定部(図2)は、充電対象となる蓄電部の充電許容電力Winを、外部電源に対する目標供給電力PAC*に設定して充電部40へ出力する。充電部40は、与えられた目標供給電力PAC*と供給電力PACの実績値との電力偏差に基づいて、充電対象の蓄電部に対する充電電流を制御する。
このようにして主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2に対する外部充電が開始されると、コンバータECU2Aは、充電対象となる蓄電部が充電部40からの充電電流で充電されるように対応のコンバータを制御する。具体的には、充電対象となる蓄電部が第1副蓄電部6−1および第2副蓄電部6−2のいずれかである場合には、第1コンバータ8−1および第2コンバータ8−2は、充電部40からの充電電流によって当該副蓄電部が充電されるように電圧変換動作を行なう。
図7は、コンバータECU2Aにおける電圧変換動作を実現するための制御構造を示すフローチャートである。
図7を参照して、コンバータECU2Aは、コネクタ受入部70(図6)に外部電源が接続されたか否かを判定する(ステップS21)。この判定は、接続検出センサ50aからの検出信号CONに基づいて行なわれる。
コネクタ受入部70に外部電源が接続されていない場合(ステップS21においてNOの場合)には、処理は最初に戻る。
これに対して、コネクタ受入部70に外部電源が接続されている場合(ステップS21においてYESの場合)には、コンバータECU2は、外部電源により充電可能な状態になったと判断し、充放電電流検出部10−0,10−1,10−1から受けた充放電電流値Ib_m,Ib_s1,Ib_s2に基づいて、主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2の各々について、使用を開始した時点からの放電電流の積算値Ah_m,Ah_s1,Ah_s2を取得する(ステップS22)。
そして、コンバータECU2Aは、取得した放電電流積算値に基づいて、充電対象となる蓄電部を決定する。具体的には、コンバータECU2Aは、取得した放電電流積算値Ah_m,Ah_s1,Ah_s2のうちの最小値が主蓄電部6−0についての放電電流積算値Ah_mであるか否かを判定する(ステップS23)。主蓄電部6−0についての放電電流積算値Ah_mが最小値である場合(ステップS23においてYESの場合)には、コンバータECU2Aは、主蓄電部6−0を充電対象に決定する。このとき、コンバータECU2Aは、フラグF_s1,F_s2をともに値0にリセットする(ステップS25)。
これに対して、取得した放電電流積算値Ah_m,Ah_s1,Ah_s2のうちの最小値が主蓄電部6−0についての放電電流積算値Ah_mでない場合(ステップS23においてNOの場合)には、コンバータECU2Aは、さらに、取得した放電電流積算値Ah_m,Ah_s1,Ah_s2のうちの最小値が第1副蓄電部6−1についての放電電流積算値Ah_s1であるか否かを判定する(ステップS24)。副蓄電部6−1についての放電電流積算値Ah_s1が最小値である場合(ステップS24においてYESの場合)には、コンバータECU2Aは、第1副蓄電部6−1を充電対象に決定する。このとき、コンバータECU2Aは、フラグF_s1を値1にセットする一方で、フラグF_s2を値0にリセットする(ステップS26)。
一方、取得した放電電流積算値Ah_m,Ah_s1,Ah_s2のうちの最小値が第1副蓄電部6−1についての放電電流積算値Ah_s1でない場合(ステップS24においてNOの場合)には、コンバータECU2Aは、第2副蓄電部6−2を充電対象に決定する。このとき、コンバータECU2Aは、フラグF_s1を値0にリセットする一方で、フラグF_s2を値1にセットする(ステップS27)。
そして、ステップS25,S26,S27のいずれかによってフラグF_s1,F_s2の値がセット/リセットされると、コンバータECU2Aは、フラグF_s1,F_s2に従ってスイッチ回路SW1,SW2の導通・非導通を制御する。さらに、コンバータ8−2と副蓄電部6−1,6−2との接続状態が設定されると、コンバータECU2Aは、充電対象となる蓄電部の目標充電電力を当該蓄電部の充電許容電力Winに決定する(ステップS28)。また、コンバータECU2Aは、外部電源から供給される電力の目標値PAC*を、ステップS28で決定した充電対象となる蓄電部の目標充電電力に決定して充電部40(図6)へ出力する(ステップS29)。
充電部40は、コンバータECU2Aからの目標供給電力PAC*に従って、充電対象となる蓄電部に対する充電電流を制御する(ステップS30)。コンバータECU2Aは、充電対象となる蓄電部が充電部40からの充電電流で充電されるように対応のコンバータを制御する(ステップS31)。そして、コンバータECU2は、最初の処理に戻る。
なお、上述の説明においては、車両は、主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2を外部充電するための構成として、コネクタ受入部50と充電部40とを備える構成としたが、正充電線CPLおよび負充電線CNLの接続先をそれぞれモータジェネレータMG1の中性点およびモータジェネレータMG2の中性点とするように構成してもよい。この構成において、インバータ30−1,30−2を上アーム(正側)および下アーム(負側)の各々において、3個のスイッチング素子を一括してオン/オフ動作させることにより、それぞれの相電圧は互いに等しくなるので、中性点を基準とする零電圧ベクトルが生成される。そして、零電圧ベクトルを生成する場合における、インバータ30−1,30−2およびモータジェネレータMG1,MG2の零相等価回路は、正充電線CPLおよび負充電線CNLを介して中性点N1,N2に与えられる交流の供給電力を入力とする単相PWMインバータとみることができる。そこで、インバータ30−1,30−2の各々において零電圧ベクトルを時間的に変化させ、インバータ30−1,30−2をそれぞれ単相PWMインバータの各相アームとして動作するようにスイッチング制御することによって、交流の供給電力を直流電力に変換して充電対象となる蓄電部へ供給することができる。
以上のように、この発明の実施の形態2によれば、相対的に劣化度が小さい蓄電部を優先して充電するように蓄電部に対する外部充電が行なわれる。これにより、相対的に劣化度の小さい蓄電部の使用頻度を増やしたことによって、当該蓄電部が過放電となるのを未然に回避することができる。この結果、より確実に複数の蓄電部に性能ばらつきが生じるのを抑制することができる。
[実施の形態3]
先の実施の形態1は、電源システム1を構成する複数の蓄電部のうち、相対的に劣化度の小さい蓄電部の使用頻度を増やすことによって蓄電部間の劣化度をバランスさせるものである。さらに、以下に述べるような、車両の起動時において蓄電部の劣化度に応じたスイッチ回路SW1,SW2の制御を行なう構成とすれば、相対的に劣化度が小さい蓄電部を優先して使用することが可能となる。
先の実施の形態1は、電源システム1を構成する複数の蓄電部のうち、相対的に劣化度の小さい蓄電部の使用頻度を増やすことによって蓄電部間の劣化度をバランスさせるものである。さらに、以下に述べるような、車両の起動時において蓄電部の劣化度に応じたスイッチ回路SW1,SW2の制御を行なう構成とすれば、相対的に劣化度が小さい蓄電部を優先して使用することが可能となる。
なお、本実施の形態3に従う電源システムは、図1に示す電源システム1と同じ構成であるため、その図示および詳細な説明を省略する。
図8は、この発明の実施の形態3に従う電源システムにおけるコンバータECUの電圧変換動作を実現するための制御構造を示すフローチャートである。
図8を参照して、コンバータECU2は、運転者から車両の起動指示が与えられたか否かを判断する(ステップS31)。すなわち、コンバータECU2は、起動指示IGONがオフ状態からオン状態に変化したか否かを判断する。
運転者から起動指示が与えられていない場合(ステップS31においてNOの場合)には、処理は最初に戻る。
これに対して、運転者から起動指示が与えられている場合(ステップS31においてYESの場合)には、コンバータECU2は、電源システム1と駆動力発生部3との間で電力の授受が可能な状態になったと判断し、充放電電流検出部10−0,10−1,10−1から受けた充放電電流値Ib_m,Ib_s1,Ib_s2に基づいて、主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2の各々について、使用を開始した時点からの放電電流の積算値Ah_m,Ah_s1,Ah_s2を取得する(ステップS32)。
そして、コンバータECU2は、取得した放電電流積算値に基づいて、電力授受の対象となる蓄電部を決定する。具体的には、コンバータECU2は、取得した放電電流積算値Ah_m,Ah_s1,Ah_s2のうちの最小値が主蓄電部6−0についての放電電流積算値Ah_mであるか否かを判定する(ステップS33)。主蓄電部6−0についての放電電流積算値Ah_mが最小値である場合(ステップS33においてYESの場合)には、コンバータECU2は、主蓄電部6−0を電力授受の対象に決定する。このとき、コンバータECU2は、フラグF_s1,F_s2をともに値0にリセットする(ステップS35)。
これに対して、取得した放電電流積算値Ah_m,Ah_s1,Ah_s2のうちの最小値が主蓄電部6−0についての放電電流積算値Ah_mでない場合(ステップS33においてNOの場合)には、コンバータECU2は、さらに、取得した放電電流積算値Ah_m,Ah_s1,Ah_s2のうちの最小値が第1副蓄電部6−1についての放電電流積算値Ah_s1であるか否かを判定する(ステップS34)。第1副蓄電部6−1についての放電電流積算値Ah_s1が最小値である場合(ステップS34においてYESの場合)には、コンバータECU2は、第1副蓄電部6−1を電力授受の対象に決定する。このとき、コンバータECU2は、フラグF_s1を値1にセットする一方で、フラグF_s2を値0にリセットする(ステップS36)。
一方、取得した放電電流積算値Ah_m,Ah_s1,Ah_s2のうちの最小値が第1副蓄電部6−1についての放電電流積算値Ah_s1でない場合(ステップS34においてNOの場合)には、コンバータECU2は、第2副蓄電部6−2を電力授受の対象に決定する。このとき、コンバータECU2は、フラグF_s1を値0にリセットする一方で、フラグF_s2を値1にセットする(ステップS37)。
そして、ステップS35,S36,S37のいずれかによってフラグF_s1,F_s2の値がセット/リセットされると、コンバータECU2は、フラグF_s1,F_s2に従ってスイッチ回路SW1,SW2の導通・非導通を制御する(ステップS38)。さらに、コンバータ8−2と副蓄電部6−1,6−2との接続状態が設定されると、コンバータECU2は、処理を図5のステップS01へ進める。
なお、以上に述べたように、本発明の実施の形態1〜3では、主蓄電部6−0および副蓄電部6−1,6−2の劣化度を示す指標として、各蓄電部のついての使用を開始した時点からの放電電流の積算値Ah_m,Ah_s1,Ah_s2を演算する構成とした。
しかしながら、このような構成では蓄電部の使用期間に応じて演算される数値が大きくなるため、コンバータECU2の演算負荷が増大するという不具合を招いてしまう。
これには、たとえば、車両の起動指示IGONがオン状態にされた時点からオフ状態にされる時点までのトリップ間においては、当該トリップにおける放電電流積算値をローカルに演算し、当該トリップの終了時において、前回のトリップまでの放電電流積算値に足し込み、今回のトリップまでの放電電流積算値として不揮発性のメモリに記憶させる構成とすることで、演算負荷を低減することが可能である。
なお、上述の説明においては、複数の蓄電部を備える車両の代表例として、主蓄電部6−0および2個の副蓄電部6−1,6−2を備える車両について例示したが、本願発明は、4個以上の蓄電部を備える車両においても適用できることは自明である。
また、複数の蓄電部を備える車両の制御構造としては、上述したような、電池ECU4、コンバータECU2(または2A)および駆動ECU32が個別に存在する構成に代えて、これらのECUを統合して1つのECUを構成するようにしてもよい。この場合は、ECUは、予めROM(Read Only Memory)などの記憶部に格納されたプログラムをCPU(Central Processing Unit)がRAM(Random Access Memory)に読出して実行することにより、車両走行および外部充電に係る制御を実行する。
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、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。
1,1A 電源システム、2 コンバータECU、3,3A 駆動力発生部、4 電池ECU、6−0 主蓄電部、6−1,6−2 副蓄電部、8−1,8−2 コンバータ、10−0,10−1,10−2 充放電電流検出部、12−0,12−1,12−2 充放電電圧検出部、14−0,14−1,14−1 温度検出部、16 入出力電流検出部、18 入出力電圧検出部、30−1,30−2 インバータ、32 駆動ECU、34 動力伝達機構、36 駆動軸、40−1,40−2 チョッパ回路、40 充電部、40a 電流制御部、40b 電圧制御部、50 放電電流積算値演算部、52 目標値決定部、54 スイッチ制御部、54−0,54−1,54−2 減算部、56−1,56−2 除算部、58−0,58−1,58−2 比例制御部、60−0,60−1,60−2 減算部、62 選択部、64−1,64−2 変調部、70 コネクタ受入部、70a 連結検出センサ、80 コネクタ部、PSLp 正供給線、PSLn 負供給線、C,C1 平滑コンデンサ、CPL 正充電線、CNL 負充電線、D1A,D1B ダイオード、L1 インダクタ、MG1,MG2 モータジェネレータ、MNL 主負母線、MPL 主正母線、Q1A,Q1B トランジスタ。
Claims (6)
- 各々が充放電可能に構成された複数の蓄電機構と、
負荷装置と前記複数の蓄電機構との間で電力を授受可能に構成された電力線と、
前記複数の蓄電機構と前記電力線との間にそれぞれ設けられ、各々が対応の蓄電機構と前記電力線との間で電圧変換動作を行なう複数の電圧変換部と、
前記複数の電圧変換部における電圧変換動作を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記複数の蓄電機構の各々についての劣化度を検出する劣化度検出手段と、
前記劣化度検出手段によって検出された各前記蓄電機構の劣化度に応じて、劣化度が相対的に小さい前記蓄電機構が分担すべき電力が相対的に大きくなるように、各前記蓄電機構に分担させる電力配分を決定する電力配分決定手段と、
前記電力配分決定手段によって決定された電力配分に従って各前記蓄電機構から充放電されるように対応の電圧変換部を制御する電圧変換制御手段とを含む、電源システム。 - 前記複数の蓄電機構のうち第1の蓄電機構は、対応の電圧変換部に対して並列接続される複数の蓄電部を含み、
前記複数の蓄電部のうちいずれか1つを選択して前記第1の蓄電機構に対応する電圧変換部に接続するための切換機構をさらに備え、
前記劣化度検出手段は、前記複数の蓄電部の各々についての劣化度を検出し、
前記電力配分決定手段は、前記劣化度検出手段によって検出された前記複数の蓄電部および残余の前記蓄電機構の各々についての劣化度に応じて、劣化度が相対的に小さい前記蓄電部または前記蓄電機構が分担すべき電力が相対的に大きくなるように、選択された前記いずれか1つの蓄電部および残余の前記蓄電機構の各々に分担させる電力配分を決定する、請求項1に記載の電源システム。 - 前記制御装置は、前記電力配分決定手段によって決定された、前記いずれか1つの蓄電部が分担すべき電力が、当該蓄電部の放電許容電力を超える場合には、残余の前記蓄電部のうちのいずれか1つを選択して前記第1の蓄電機構に対応する電圧変換部に接続するように、前記切換機構を制御する切換制御手段をさらに含む、請求項2に記載の電源システム。
- 前記切換制御手段は、前記負荷装置が起動されると、前記劣化度検出手段によって検出された各前記蓄電部の劣化度に応じて、劣化度が最も小さい前記蓄電部を選択して前記第1の蓄電機構に対応する電圧変換部に接続するように、前記切換機構を制御する、請求項3に記載の電源システム。
- 外部電源からの電力を受けて前記複数の蓄電機構を外部充電するための充電部をさらに備え、
前記電圧変換制御手段は、前記複数の蓄電機構が外部電源により充電可能な状態にされたときに、前記劣化度検出手段によって検出された各前記蓄電機構の劣化度に応じて、劣化度が相対的に小さい前記蓄電機構の充電を優先させるように、前記複数の電圧変換部の前記電圧変換動作を制御する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電源システム。 - 前記負荷装置は、前記電源システムから供給される電力を受けて駆動力を発生する駆動力発生部を含み、
前記電力配分決定手段は、前記駆動力発生部から要求される駆動電力の目標値に対して、各前記蓄電機構に分担させる電力配分を決定する、請求項5に記載の電源システム。
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