JP2014096937A

JP2014096937A - 蓄電池システム

Info

Publication number: JP2014096937A
Application number: JP2012247486A
Authority: JP
Inventors: Fujio Nomura; 富二夫野村; Satoru Nakayama; 悟中山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2014-05-22

Abstract

【課題】負荷への電力供給の余剰分を抽出して蓄電池を充電可能とし、蓄電池の充電状態の改善を図る。
【解決手段】オルタネータの発電量と負荷電力の差分を蓄電池に充電する。これにより、負荷に供給する電力を確保しつつ、余剰分を蓄電池に充電できる充電器とＤＣ／ＤＣコンバータを使用することで、蓄電池を満充電に近い状態に維持でき、運転時間の延伸を確保することが可能となる。
【選択図】図１

Description

この発明の実施形態は、車両のオルタネータを用いて蓄電池を充電し、そのエネルギーを利用して負荷に電力を供給する蓄電池システムに関する。

従来、オルタネータと直に接続された蓄電池システムは、満充電になると電流が充電器内のバイパス回路を通って、バッテリーへの負担をゼロにするフロート充電が一般的である。

しかしながら、蓄電池の蓄電量が少ない場合は、オルタネータから供給されるエネルギーを蓄電池の充電として使用しているため、負荷に供給する電力が不足して負荷が安定しない、という課題がある。

また、蓄電池の電圧はオルタネータの最大電圧範囲内にする必要があり、定格電圧時に充電できる量は少なくなってしまう。このため、蓄電池のみで消費させるような用途で使用する場合、満充電されていない状況下での運転となり、蓄電池での運転時間が短くなってしまう、という課題がある。

特開平６−６８９１０号公報

この発明が解決しようとする課題は、負荷への電力供給の余剰分を抽出して蓄電池を充電可能とし、蓄電池の充電状態の改善を図った蓄電池システムを提供することである。

実施形態の蓄電池システムは、車両に搭載され交流−直流変換機能を備えたオルタネータと、負荷と、前記オルタネータから生成される最大直流電流および前記負荷に流す負荷電流に基づき、充電電流を生成する充電電流制御部と、前記充電電流に基づき充電する蓄電池と、を備えた。

蓄電池システムにかかる一実施形態の概念的な構成図である。充電電流を決定するための制御ブロック図である。図２の各ポイントにおける電流について説明するための図である。図３の破線の円内を拡大して示す図である。

以下、実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、蓄電池システムにかかる一実施形態について説明するための構成図を示す。

蓄電システム１００は、オルタネータ１１、充電器１２、蓄電池１３、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４、電流センサ１５、ダイオードＤ１，Ｄ２から構成されている。蓄電システム１００の出力は、負荷２００に給電する。

オルタネータ１１は、エンジン１０から伝達される機械的運動エネルギーを交流の電気エネルギーへと変換する発電機である。車両に搭載されるオルタネータ１１には、ダイオードなどを使い、交流−直流変換する機能も含まれている。従って、ここで使用のオルタネータ１１の出力は、直流電力を生成する例である。なお、オルタネータ１１は一例であり、発電できる、もしくは給電できるものであれば、形態は問わない。直流を出力しないタイプのオルタネータの場合は、外付けのＡＣ／ＤＣコンバータを介して直流を出力するようにしてもよい。ここでは、外付けのＡＣ／ＤＣコンバータを用いてオルタネータの出力を直流変換する場合も、直流電力を出力するオルタネータとして説明する。

充電器１２は、オルタネータ１１から出力される直流電力を負荷に安定的に供給するための電力変換機能を備えている。

蓄電池１３としては、例えば自動車用として多用されているリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛電池、ニッケルカドミウム電池等が考えられるが、二次電池であれば、その種類は問わない。

電流センサ１５には、例えばホール素子が使用される。電流センサ１５としては、抵抗等でもよく、負荷２００に流れる電流を検出できる手段であれば、その種類は問わない。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、充電器１２から出力される直流電力および蓄電池１３から出力される直流電力の電圧を変換して出力する。

負荷２００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４から出力される直流電力を給電する、例えば直流モータである。なお、負荷２００が交流負荷の場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４で直流電圧を所望の値に変換した後、ＤＣ／ＡＣインバータにより交流電力に変換して給電される。

ダイオードＤ１，Ｄ２は、いずれも逆流防止用である。ダイオードＤ１は、負荷電流が充電器１２の入力に流れることを防止し、ダイオードＤ３は、負荷電流がＤＣ／ＤＣコンバータ１４に逆流することを防止する。

さらに、図１では示されていないが、ヒューズやブレーカを挿入し、一般的な電源システムの保護を行っても構わない。

図２は、図１の充電器１２の充電電流を決定するための制御ブロック図を示す。図３は、図２の各ポイントにおける電流について示す図である。

充電器１２は、平均化処理回路２１、減算器２２、電流下限リミッタ回路２３で構成されている。充電器１２は、充電池１３に充電する充電電流ｅを決定する。

平均化処理回路２１は、電流センサ１５で検出した負荷２００に供給する負荷電流を測定して得られた測定電流ｂを平均化し、出力から平均化電流ｃを生成する。

減算器２２の一方の入力＋には、オルタネータ１１が発生した最大直流電流ａが入力されている。平均化処理回路２１には、電流センサ１５の検出に基づく測定電流ｂが入力されている。測定電流ｂが入力された平均化処理回路２１からは、測定電流ｂの平均化を行い、平均化電流ｃとして出力されている。平均化電流ｃは、減算器２２の他方の入力−に入力されている。

減算器２２は、オルタネータ１１から生成される充電電流の最大直流電流ａから平均化電流ｃを減算した減算電流ｄを生成する。減算器２２の出力は、電流下限リミッタ回路２３に供給する。

負荷２００の状態によっては、図３の破線の円に示し、この部分を拡大した図４に示すように、瞬間的に測定電流ｂの平均値が最大直流電流ａより大きくなる可能性がある。この場合は、充電電流ｅがマイナスの値になってしまう。それを防ぐために電流の下限値を制限する電流下限リミッタ回路２３を減算器２２の後段に設置している。

電流下限リミッタ回路２３は、負荷２００の負荷電流が瞬時に最大直流電流ａを超える場合に設定された電流の下限値を出力から図３に示す充電電流ｅとして生成する。従って、減算電流ｄの下限値が、電流下限リミッタ回路２３のリミッタ値よりも低い場合、充電電流ｅを出力する。

また、充電器１２は、蓄電池１３が一定の充電量以下であれば充電を開始し、一定の充電量以上であれば充電を停止する機能を持つように動作させている。充電器１２が充電を行う状態であった場合、蓄電池１３の充電電流ｅは、次の関係式により決定される。

（充電電流）＝（最大直流電流）−（測定電流の平均値）
測定電流ｂは、電流センサ１５により測定された値を示している。負荷２００は常に変動するため、充電をより安定に動作させるために平均化処理回路２１を介して図２に示す波形ｂから波形ｃの波形に平均化した値にする。平均化の方法は、アナログフィルタで構成しても構わないし、デジタル処理により平均化しても構わない。

最大直流電流ａは、オルタネータ１１の最大電流や、蓄電池１３の許容最大直流電流を考慮して最適になるように決定する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力電圧は、
（ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧）＜（オルタネータの出力電圧）
に設定する。

これにより、通常、負荷２００にはオルタネータ１１の出力から供給され、図３の破線円に示すような短時間の過負荷あるいはオルタネータ１１の停止時に蓄電池１３から供給される。

蓄電池１３は充電器１２により充電され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を介して負荷２００に電力を供給するため、蓄電池１３の充電量はオルタネータ１１の電圧に依存せず、任意に決定できる。

これにより、蓄電池１３の容量を最大限有効活用ができ、運用時間の延伸もしくは、小型化が可能となる。

このように、オルタネータ１１の発電量と負荷２００の電力の差分を蓄電池１３に充電するようにした。負荷２００には必要な電力の供給を確保しつつ、蓄電池１３には充電器１２とＤＣ／ＤＣコンバータ１４を使用して充電できる。これにより、蓄電池１３を満充電あるいはそれに近い充電状態を確保することができる。従って、これまで充電不足で蓄電池１３により運転時間の延伸ができなかった状況から、満充電あるいはそれに近い充電状態での蓄電池１３を実現できることから、蓄電池１３による運転時間の延伸が可能となる。

この実施形態では、オルタネータの発電量と負荷の電力の差分を蓄電池に充電するようにしたことで、蓄電池には満充電に近い状態を確保でき、蓄電池を使用しての車両の運転時間の延伸が可能となる。また、蓄電池を他の負荷駆動用とした場合は、長時間使用を実現することができる。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１オルタネータ
１２充電器
１３蓄電池
１４ＤＣ／ＤＣコンバータ
１５電流センサ
２００負荷
Ｄ１，Ｄ２ダイオード
２１平均化処理回路部
２２減算器
２３電流下限リミッタ回路

Claims

車両に搭載され交流−直流変換機能を備えたオルタネータと、
負荷と、
前記オルタネータから生成される最大直流電流および前記負荷に流す負荷電流に基づき、充電電流を生成する充電器と、
前記充電電流に基づき充電する蓄電池と、を備えた蓄電池システム。
前記充電器は、前記オルタネータの最大直流電流から前記負荷電流を検出して得られた測定電流を平均化した平均化電流を減算して減算電流を生成し、該減算電流を前記充電電流とした、請求項１記載の蓄電池システム。
前記減算電流が下限値以下の部分では、リミットして前記充電電流とした、請求項２記載の蓄電池システム。
オルタネータの最大直流電流は、瞬時的な場合を除き前記負荷電流より大きい値とした、請求項１または２記載の蓄電池システム。