JP2015063214A - 車両の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気負荷の必要電流がＤＣ／ＤＣコンバータの最大電流を超えるような場合でも、バッテリから電気負荷への電力供給量を低減する。【解決手段】車両の制御装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３に対してキャパシタ２と反対側に設けられている電気負荷８に電力を供給する際に、キャパシタ２の電圧とバッテリ１の電圧とが等しくない場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を介してキャパシタ２から電気負荷８に電力を供給するように制御し、キャパシタ２の電圧とバッテリ１の電圧とが等しくなると、リレー７によってバッテリ１とキャパシタ２の間を電気的に接続して、リレー７を介してキャパシタ２から電気負荷８に電力を供給するように制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、車両の制御装置に関する。

従来、蓄電手段としてバッテリとキャパシタを備え、車両の回生制動時に、オルタネータの回生運転によって発電された電力をキャパシタに充電し、キャパシタの充電電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して電気負荷に供給するシステムが知られている（非特許文献１参照）。

マツダ技報Ｎｏ．３０（２０１２）、３７−４２頁、「減速エネルギ回生システム"ｉ−ＥＬＯＯＰ"の開発」

ところで、ＤＣ／ＤＣコンバータは、出力可能な最大電流が大きいものほど高価になる。非特許文献１に記載のシステムでは、コストを考慮してＤＣ／ＤＣコンバータの規格を決定しているため、車両の運転状態によっては、電気負荷が必要とする電流がＤＣ／ＤＣコンバータの最大電流を超えてしまう場合がある。この場合、電気負荷への電力供給を、ＤＣ／ＤＣコンバータを介してキャパシタからのみ行うと不足してしまうため、不足分はバッテリから供給するが、このような状態が続くと、バッテリの電圧が低下し続けるという問題が発生する。

本発明は、電気負荷の必要電流がＤＣ／ＤＣコンバータの最大電流を超えるような場合でも、バッテリから電気負荷への電力供給量を低減する技術を提供することを目的とする。

本発明による車両の制御装置は、充放電が可能なバッテリと、充放電が可能なキャパシタと、バッテリおよびキャパシタの間に設けられ、バッテリおよびキャパシタの間で電圧の調整を行う電圧調整手段と、電圧調整手段と並列に設けられ、バッテリおよびキャパシタの間を電気的に接続可能な接続手段と、電圧調整手段に対してキャパシタと反対側に設けられている電気負荷と、制御手段とを備える。制御手段は、電気負荷に電力を供給する際に、キャパシタの電圧とバッテリの電圧とが等しくない場合には、電圧調整手段を介してキャパシタから電気負荷に電力を供給するように制御し、キャパシタの電圧とバッテリの電圧とが等しくなると、接続手段によってバッテリおよびキャパシタの間を電気的に接続して、接続手段を介してキャパシタから電気負荷に電力を供給するように制御する。

本発明によれば、キャパシタの電圧とバッテリの電圧とが等しくなると、接続手段によってバッテリおよびキャパシタの間を電気的に接続するので、電気負荷の必要電流が電圧調整手段の最大電流より大きくても、電気負荷の必要電流を、接続手段を介してキャパシタから供給することができる。これにより、電気負荷の必要電流の全てをキャパシタから供給することができるので、バッテリから電気負荷に電力を供給する必要がなく、バッテリから電気負荷に電力を供給し続けることによってバッテリの電圧が低下し続けるのを防ぐことができる。

図１は、第１の実施形態における車両の制御装置の主要構成部分を示す図である。 図２は、第１の実施形態における車両の制御装置によって行われる電気負荷への電力供給制御の流れを示すフローチャートである 図３は、オルタネータの発電電圧の上限値および下限値の設定方法を示すフローチャートである。 図４は、第２の実施形態における車両の制御装置によって行われる電気負荷への電力供給制御の流れを示すフローチャートである。 図５は、第３の実施形態における車両の制御装置によって行われる電気負荷への電力供給制御の流れを示すフローチャートである。

＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態における車両の制御装置の主要構成部分を示す図である。本実施形態における車両の制御装置は、走行駆動源としてエンジンを搭載するエンジン車、走行駆動源としてエンジンおよびモータジェネレータを備えるハイブリッド車、走行駆動源としてモータジェネレータを備える電気自動車などの車両に搭載される。

第１の実施形態における車両の制御装置は、バッテリ１と、キャパシタ２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３と、コントローラ５と、リレー７と、電気負荷８とを備える。

バッテリ１は、例えば、鉛酸バッテリであり、スタータモータ６および／または電気負荷８に電力を供給する。

キャパシタ２は、例えば、電気二重層キャパシタである。キャパシタ２は、バッテリ１に比べて、充放電による劣化が少なく、短時間で充放電を行うことができるという特徴がある。車両の回生制動時等において、オルタネータ６の回生運転によって発電された電力は、キャパシタ２に充電される。キャパシタ２の電力は、電気負荷８やスタータモータ６、バッテリ１に供給可能である。なお、車両の回生制動時とは、ドライバによるブレーキ操作が行われた時や、車両の走行中に、ドライバがアクセルペダルを離して減速する時などが含まれる。

スタータモータ６は、供給された電力によって回転駆動して、クランクシャフトを回転させて、エンジンを始動させる。

バッテリ１とキャパシタ２との間には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３が設けられている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、キャパシタ２からスタータモータ６や電気負荷８、バッテリ１に電力を供給する際に、電圧を調整する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３の制御は、後述するコントローラ５によって行われる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、また、バッテリ１とキャパシタ２との間を電気的に断続可能であり、例えば、図示しないイグニッションスイッチのオフ後には、バッテリ１とキャパシタ２との間を電気的に切断する。これは、イグニッションスイッチのオフ後にバッテリ１とキャパシタ２との間を電気的に接続していると、バッテリ１からキャパシタ２に電力が供給され続けることになり、また、キャパシタ２の自己放電によって、キャパシタ２およびバッテリ１の双方の電力が失われるからである。

リレー７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３と並列に設けられ、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を介することなく、バッテリ１とキャパシタ２との間を電気的に接続可能である。リレー７のオン／オフは、後述するコントローラ５によって制御され、リレー７がオンすると、キャパシタ２からリレー７を介して電気負荷８に電力を供給することができる。この場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３が出力可能な最大電流より大きい電流をキャパシタ２から電気負荷８に供給することができる。

電圧センサ９は、キャパシタ２の電圧ＶＩを検出し、電圧センサ１０は、バッテリ１の電圧ＶＩＩを検出する。

コントローラ５は、車両全体の制御を行う。特に、コントローラ５は、電気負荷８に電力を供給するために、後述する制御を行う。

図２は、第１の実施形態における車両の制御装置によって行われる電気負荷８への電力供給制御の流れを示すフローチャートである。車両が起動すると、コントローラ５は、ステップＳ１の処理を開始する。

ステップＳ１では、電気負荷８の必要電流がＤＣ／ＤＣコンバータ３の最大電流より大きいか否かを判定する。コントローラ５は、エアコンの運転状態や、ライトの使用状態などに応じて、電気負荷８の必要電流を把握することができる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３が出力可能な最大電流は、予め決まっている。電気負荷８の必要電流がＤＣ／ＤＣコンバータ３の最大電流より大きいと判定すると、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２では、電圧センサ９によって検出されるキャパシタ２の電圧ＶＩが電圧センサ１０によって検出されるバッテリ１の電圧ＶＩＩと等しいか否かを判定する。キャパシタ２の電圧ＶＩとバッテリ１の電圧ＶＩＩが等しいと判定するとステップＳ３に進み、等しくないと判定するとステップＳ４に進む。

ステップＳ３では、リレー７をオンにする。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の目標出力電圧をゼロとする。これにより、電気負荷８には、キャパシタ２からリレー７を介して電力が供給される。この場合、キャパシタ２の電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を介さずに電気負荷８に供給されるので、電気負荷８の必要電流がＤＣ／ＤＣコンバータ３の最大電流より大きくても、電気負荷８の必要電流を、リレー７を介してキャパシタ２から供給することができる。すなわち、電気負荷８の必要電流の全てをキャパシタ２から供給することができるので、バッテリ１から電気負荷８に電力を供給する必要がない。

また、オルタネータ４が回生運転を行っている場合には、オルタネータ４からリレー７を介して電気負荷８に電力が供給される。この場合のオルタネータ４の発電電圧の上限値および下限値は、後述する方法により決定する。

ステップＳ４では、キャパシタ２の電圧ＶＩとバッテリ１の電圧ＶＩＩが異なるため、キャパシタ２と電気負荷８との間を接続する手段として、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を選択する。これは、キャパシタ２の電圧ＶＩがバッテリ１の電圧ＶＩＩより高い状態でリレー７をオンにすると、キャパシタ２から大電流が電気負荷８に流れて、電気負荷８の状態が不安定になる可能性があり、バッテリ１の電圧ＶＩＩがキャパシタ２の電圧ＶＩより高い状態でリレー７をオンにすると、バッテリ１の電圧が一瞬大きく低下する瞬低が生じる可能性があるからである。

一方、ステップＳ１において、電気負荷８の必要電流がＤＣ／ＤＣコンバータ３の最大電流以下であると判定すると、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、キャパシタ２と電気負荷８との間を接続する手段として、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を選択する。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を介してキャパシタ２の電力を電気負荷８に供給するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の目標出力電圧を設定する。

図３は、オルタネータ４の発電電圧の上限値および下限値の設定方法を示すフローチャートである。

ステップＳ３１では、リレー７がオンであるか否かを判定する。リレー７がオンであると判定すると、ステップＳ３２に進む。

ステップＳ３２では、オルタネータ４の発電電圧上限値を決定する。具体的には、バッテリ１の電圧上限値と、使用している電気負荷８の電圧上限値とを比較して、値が小さい方をオルタネータ４の発電電圧上限値とする。バッテリ１の電圧上限値は、バッテリ１の仕様によって決まる値である。リレー７のオン時には、電気負荷側に大電流が供給されるが、上記方法によってオルタネータ４の発電電圧上限値を決定することにより、バッテリ１の耐久性を損なうことなく、かつ、電気負荷８に不必要な大電流が流れて電気負荷８の機能や性能に影響が及ぶのを防ぐことができる。

ステップＳ３３では、オルタネータ４の発電電圧下限値を決定する。具体的には、バッテリ１の電圧下限値と、使用している電気負荷８の電圧下限値とを比較して、値が大きい方をオルタネータ４の発電電圧下限値とする。バッテリ１の電圧下限値は、バッテリ１の仕様によって決まる値である。これにより、バッテリ１の耐久性、および電気負荷８の機能や性能に影響が及ぶのを防ぐことができる。

一方、ステップＳ３１において、リレー７がオフであると判定すると、ステップＳ３４に進む。ステップＳ３４では、オルタネータ４の発電電圧上限値を決定する。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力電圧上限値と、キャパシタ２の電圧上限値とを比較して、値が小さい方をオルタネータ４の発電電圧上限値とする。ＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力電圧上限値は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の仕様によって決まる値であり、キャパシタ２の電圧上限値は、キャパシタ２の仕様によって決まる値である。

ステップＳ３５では、オルタネータ４の発電電圧下限値を決定する。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力電圧下限値と、キャパシタ２の電圧下限値とを比較して、値が大きい方をオルタネータ４の発電電圧下限値とする。ＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力電圧下限値は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の仕様によって決まる値であり、キャパシタ２の電圧下限値は、キャパシタ２の仕様によって決まる値である。

以上、第１の実施形態における車両の制御装置によれば、電気負荷８に電力を供給する際に、キャパシタ２の電圧とバッテリ１の電圧とが等しくない場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を介してキャパシタ２から電気負荷８に電力を供給するように制御し、キャパシタ２の電圧とバッテリ１の電圧とが等しくなると、リレー７によってバッテリ１およびキャパシタ２の間を電気的に接続して、リレー７を介してキャパシタ２から電気負荷８に電力を供給するように制御する。キャパシタ２の電圧とバッテリ１の電圧が等しくなると、リレー７を介してキャパシタ２から電気負荷８に電力を供給するので、電気負荷８の必要電流がＤＣ／ＤＣコンバータ３の最大電流より大きくても、電気負荷８の必要電流を、リレー７を介してキャパシタ２から供給することができる。すなわち、電気負荷８の必要電流の全てをキャパシタ２から供給することができるので、バッテリ１から電気負荷８に電力を供給する必要がなく、バッテリ１から電気負荷８に電力を供給し続けることによってバッテリ１の電圧が低下し続けるのを防ぐことができる。

また、リレー７を介してキャパシタ２から電気負荷８に電力を供給する場合、オルタネータ４の発電電圧の上限値は、バッテリ１の電圧上限値、および使用している電気負荷８の電圧上限値のうちの小さい方の値であり、オルタネータ４の発電電圧の下限値は、バッテリ１の電圧下限値、および使用している電気負荷８の電圧下限値のうちの大きい方の値である。これにより、リレー７を介して電気負荷８に大電流を供給するような状況でも、バッテリ１の耐久性を損なうことなく、かつ、電気負荷８の機能や性能に影響が及ぶのを防ぐことができる。

＜第２の実施形態＞
図４は、第２の実施形態における車両の制御装置によって行われる電気負荷８への電力供給制御の流れを示すフローチャートである。図２に示すフローチャートの処理と同一の処理を行うステップには、同一の符号を付して詳しい説明は省略する。

ステップＳ２の判定を否定した後に進むステップＳ１１では、電圧センサ９によって検出されるキャパシタ２の電圧ＶＩが電圧センサ１０によって検出されるバッテリ１の電圧ＶＩＩより高いか否かを判定する。キャパシタ２の電圧ＶＩがバッテリ１の電圧ＶＩＩより高いと判定するとステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、キャパシタ２と電気負荷８との間を接続する手段として、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を選択する。これは、キャパシタ２の電圧ＶＩがバッテリ１の電圧ＶＩＩより高い状態でリレー７をオンにすると、キャパシタ２から大電流が電気負荷８に流れて、電気負荷８の状態が不安定になる可能性があるからである。

ステップＳ１３では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を介してキャパシタ２の電力を電気負荷８に供給するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の目標出力電圧を設定する。これにより、キャパシタ２の電力がＤＣ／ＤＣコンバータ３を介して電気負荷８に供給される。しかし、電気負荷８の必要電流がＤＣ／ＤＣコンバータ３の最大電流より大きいため、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を介してキャパシタ２の電力を電気負荷８に供給するだけでは、電気負荷８の必要電流を供給することができない。従って、電気負荷８の必要電流のうち、キャパシタ２からの電流だけでは不足する分を、バッテリ１から供給する。この後、キャパシタ２の電圧が低下してバッテリ１の電圧と等しくなると、リレー７をオンして、キャパシタ２から電気負荷８に電力を供給する。

一方、ステップＳ１１でキャパシタ２の電圧ＶＩがバッテリ１の電圧ＶＩＩより低いと判定すると、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、キャパシタ２と電気負荷８との間を接続する手段として、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を選択する。これは、バッテリ１の電圧ＶＩＩがキャパシタ２の電圧ＶＩより高い状態でリレー７をオンにすると、バッテリ１の電圧が一瞬大きく低下する瞬低が生じる可能性があるからである。

以上、第２の実施形態における車両の制御装置によれば、キャパシタ２の電圧がバッテリ１の電圧より高い間は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を介してキャパシタ２から電気負荷８に電力を供給するように制御し、キャパシタ２の電圧が低下してキャパシタ２の電圧とバッテリ１の電圧とが等しくなると、リレー７によってバッテリ１およびキャパシタ２の間を電気的に接続して、リレー７を介してキャパシタ２から電気負荷８に電力を供給するように制御する。キャパシタ２の電圧ＶＩがバッテリ１の電圧ＶＩＩより高い状態でリレー７をオンにすると、キャパシタ２から大電流が電気負荷８に流れて、電気負荷８の状態が不安定になる可能性があるが、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を介してキャパシタ２から電気負荷８に電力を供給することにより、上述したような問題が生じることはない。また、キャパシタ２の電圧が低下してキャパシタ２の電圧とバッテリ１の電圧とが等しくなると、リレー７によってバッテリ１およびキャパシタ２の間を電気的に接続するので、電気負荷８の必要電流の全てをリレー７を介してキャパシタ２から供給することができる。これにより、バッテリ１から電気負荷８に電力を供給する必要がなく、バッテリ１から電気負荷８に電力を供給し続けることによってバッテリ１の電圧が低下し続けるのを防ぐことができる。

＜第３の実施形態＞
図５は、第３の実施形態における車両の制御装置によって行われる電気負荷８への電力供給制御の流れを示すフローチャートである。図４に示すフローチャートの処理と同一の処理を行うステップには、同一の符号を付して詳しい説明は省略する。

ステップＳ１１でキャパシタ２の電圧ＶＩがバッテリ１の電圧ＶＩＩより低いと判定すると、ステップＳ１４に進み、キャパシタ２と電気負荷８との間を接続する手段として、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を選択する。これは、バッテリ１の電圧ＶＩＩがキャパシタ２の電圧ＶＩより高い状態でリレー７をオンにすると、バッテリ１の電圧が一瞬大きく低下する瞬低が生じる可能性があるからである。

ステップＳ１４に続くステップＳ２１では、オルタネータ４の発電電力を用いてキャパシタ２の充電を行う。具体的には、オルタネータ４の目標発電電圧を、電圧センサ９によって検出されるキャパシタ２の電圧より高くする。これにより、オルタネータ４の発電電力は、キャパシタ２に供給されるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を介して電気負荷８に供給される。この後、充電によってキャパシタ２の電圧が上昇して、バッテリ１の電圧と等しくなると、リレー７をオンして、キャパシタ２から電気負荷８に電力を供給する。

以上、第３の実施形態における車両の制御装置によれば、キャパシタ２の電圧がバッテリ１の電圧より低い間は、オルタネータ４によって発電された電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を介して電気負荷８に供給するとともにキャパシタ２に供給し、キャパシタ２の電圧が上昇してキャパシタ２の電圧とバッテリ１の電圧とが等しくなると、リレー７によってバッテリ１およびキャパシタ２の間を電気的に接続して、リレー７を介してキャパシタ２から電気負荷８に電力を供給するように制御する。バッテリ１の電圧ＶＩＩがキャパシタ２の電圧ＶＩより高い状態でリレー７をオンにすると、バッテリ１の電圧が一瞬大きく低下する瞬低が生じて、コントローラ５に十分な電力が供給されなくなる可能性があるが、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を介してキャパシタ２から電気負荷８に電力を供給することにより、上述したような問題が生じることはない。また、キャパシタ２の電圧が上昇してキャパシタ２の電圧とバッテリ１の電圧とが等しくなると、リレー７によってバッテリ１およびキャパシタ２の間を電気的に接続するので、電気負荷８の必要電流の全てをリレー７を介してキャパシタ２から供給することができる。これにより、バッテリ１から電気負荷８に電力を供給する必要がなく、バッテリ１から電気負荷８に電力を供給し続けることによってバッテリ１の電圧が低下し続けるのを防ぐことができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されることはない。例えば、発電を行うオルタネータは、エンジン始動時にスタータモータとしての機能を有するものであってもよい。また、発電を行う手段は、オルタネータに限定されず、電力供給時にモータとして機能し、回生運転時にジェネレータとして機能するモータジェネレータでもよい。

バッテリ１の一例として鉛酸バッテリを挙げたが、鉛酸バッテリに限定されることはない。同様に、キャパシタ２の一例として電気二重層キャパシタを挙げたが、電気二重層キャパシタに限定されることはない。

１…バッテリ
２…キャパシタ
３…ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧調整手段）
４…オルタネータ（発電手段）
５…コントローラ（制御手段）
７…リレー（接続手段）
８…電気負荷

Claims (4)

1. 充放電が可能なバッテリと、
   充放電が可能なキャパシタと、
   前記バッテリおよび前記キャパシタの間に設けられ、前記バッテリおよび前記キャパシタの間で電圧の調整を行う電圧調整手段と、
   前記電圧調整手段と並列に設けられ、前記バッテリおよび前記キャパシタの間を電気的に接続可能な接続手段と、
   前記電圧調整手段に対して前記キャパシタと反対側に設けられている電気負荷と、
   前記電気負荷に電力を供給する際に、前記キャパシタの電圧と前記バッテリの電圧とが等しくない場合には、前記電圧調整手段を介して前記キャパシタから前記電気負荷に電力を供給するように制御し、前記キャパシタの電圧と前記バッテリの電圧とが等しくなると、前記接続手段によって前記バッテリおよび前記キャパシタの間を電気的に接続して、前記接続手段を介して前記キャパシタから前記電気負荷に電力を供給するように制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする車両の制御装置。
2. 請求項１に記載の車両の制御装置において、
   前記制御手段は、前記キャパシタの電圧が前記バッテリの電圧より高い間は、前記電圧調整手段を介して前記キャパシタから前記電気負荷に電力を供給するように制御し、前記キャパシタの電圧が低下して前記キャパシタの電圧と前記バッテリの電圧とが等しくなると、前記接続手段によって前記バッテリおよび前記キャパシタの間を電気的に接続して、前記接続手段を介して前記キャパシタから前記電気負荷に電力を供給するように制御することを特徴とする車両の制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の車両の制御装置において、
   回生運転によって発電可能な発電手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記キャパシタの電圧が前記バッテリの電圧より低い間は、前記発電手段によって発電された電力を、前記電圧調整手段を介して前記電気負荷に供給するとともに前記キャパシタに供給し、前記キャパシタの電圧が上昇して前記キャパシタの電圧と前記バッテリの電圧とが等しくなると、前記接続手段によって前記バッテリおよび前記キャパシタの間を電気的に接続して、前記接続手段を介して前記キャパシタから前記電気負荷に電力を供給するように制御することを特徴とする車両の制御装置。
4. 請求項３に記載の車両の制御装置において、
   前記接続手段を介して前記キャパシタから前記電気負荷に電力を供給する場合、前記発電手段の発電電圧の上限値は、前記バッテリの電圧上限値、および使用している電気負荷の電圧上限値のうちの小さい方の値であり、前記発電手段の発電電圧の下限値は、前記バッテリの電圧下限値、および使用している電気負荷の電圧下限値のうちの大きい方の値であることを特徴とする車両の制御装置。

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