JP2015119538A - 電力制御装置および電力供給システム - Google Patents

電力制御装置および電力供給システム Download PDF

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Abstract

【課題】電池およびキャパシタを併用する装置において、電力制御を最適化する電力制御装置を提供する。
【解決手段】電池およびキャパシタから負荷への電力供給を制御する電力制御装置であって、負荷に供給される負荷電流の波形を、予め設定された制限値で制限した制限電流波形を生成するリミッタ32と、予め設定された時定数に基づいて、制限電流波形の帯域を制限したフィルタ波形を生成し、フィルタ波形に基づいて電池から負荷に供給する電力を制御するフィルタ34と、負荷電流の波形と、フィルタ波形との差分に基づいて、キャパシタから負荷に供給する電力を制御する差分算出部36とを備える。
【選択図】図2

Description

本発明は、電力制御装置および電力供給システムに関する。
従来、車両用の電源として、電池およびキャパシタを併用する装置が知られている(例えば、特許文献1、2、3、4および非特許文献1参照)。
特許文献1 特開2008−61405号公報
特許文献2 特開2010−41847号公報
特許文献3 特開2012−157209号公報
特許文献4 特開2007−181328号公報
非特許文献1 国枝佑樹、「電池・キャパシタハイブリッド電源システムの研究 〜Half Controlled Converterの改良と制御〜」、東京大学大学院修士論文、平成23年2月8日提出
電池における急峻な出力変動を抑制することが望まれる。
本発明の第1の態様においては、電池およびキャパシタから負荷への電力供給を制御する電力制御装置であって、負荷に供給される負荷電流の波形を、予め設定された制限値で制限した制限電流波形を生成するリミッタと、予め設定された時定数に基づいて、制限電流波形の帯域を制限したフィルタ波形を生成し、フィルタ波形に基づいて電池から負荷に供給する電力を制御するフィルタと、負荷電流の波形と、フィルタ波形との差分に基づいて、キャパシタから負荷に供給する電力を制御する差分算出部とを備える電力制御装置を提供する。
本発明の第2の態様においては、第1の態様における電力制御装置、電池およびキャパシタを備える電力供給システムを提供する。
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
実施形態に係る電力供給システム100の構成例を示す図である。 コントローラ30の構成例を示す図である。 負荷電流、電池10が出力する電池電流およびキャパシタ12が出力するキャパシタ電流の各波形の一例を示す図である。 C08モードで走行する車両の速度の変動を示す動作パターンを示す図である。 JC08モードで走行する車両の駆動パワーの変動を示す動作パターンを示す図である。 JC08モードで走行する車両に、電池10のみから電力を供給した場合の、電池10が出力する電力の積算値BWdcを示す図である。 JCモードで走行する車両に供給すべき負荷電流を示す図である。 JC08モードで走行する車両に、図1から図3において説明した電力供給システム100から電力を供給した場合の、電池10が出力する電力の積算値BWdcおよびキャパシタ12の出力端子電圧Vscを示す図である。 図6Bは、JC08モードで走行する車両に、電力供給システム100から電力を供給した場合の、負荷電流、電池電流およびキャパシタ電流を示す図である。 図6Aの例に比べ、キャパシタ12の容量を2倍にした場合の、電池10が出力する電力の積算値BWdcおよびキャパシタ12の出力端子電圧Vscを示す図である。 図6Bの例に比べ、キャパシタ12の容量を2倍にした場合の、負荷電流、電池電流およびキャパシタ電流を示す図である。 評価関数に基づいてリミッタ32およびフィルタ34を設定した場合の、電池10の残容量およびキャパシタ12の出力端子電圧を示す図である。 図8Aに示した例における、負荷電流、電池電流およびキャパシタ電流を示す図である。 電池10のみで動作した場合、キャパシタ12を用いた場合、キャパシタ12を2つ並列に用いた場合のそれぞれについて、電池10の出力電流の平均値およびピーク値がどのように変動するかを示す図である。 比較例として、図2に示したリミッタ32およびフィルタ34を入れ替えた場合の、負荷電流、電池電流およびキャパシタ電流を示す図である。 コントローラ30の他の構成例を示す図である。 コントローラ30の他の構成例を示す図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図1は、実施形態に係る電力供給システム100の構成例を示す図である。電力供給システム100は、電池10、キャパシタ12、インバータ14および電力制御装置20を備え、負荷200に電力を供給する。
電池10は、例えば鉛バッテリー、リチウムイオンバッテリー等である。また、キャパシタ12は、電池10よりも応答速度の速いキャパシタであり、例えばリチウムイオンキャパシタである。キャパシタ12の蓄電容量は、電池10の蓄電容量よりも小さくてよい。
負荷200は、例えば電気により走行可能な車両であってよく、工場等で用いられる産業機械であってよく、その他の電動装置であってもよい。電池10およびキャパシタ12は、負荷200に対して並列に接続される。
電力制御装置20は、負荷200に供給する負荷電流Iloadに基づいて、電池10から出力させる電力およびキャパシタ12から負荷への電力供給を制御する。電力制御装置20は、電池10の出力電流と、キャパシタ12の出力電流の和が負荷電流Iloadと等しくなる条件において、電池10およびキャパシタ12にどれだけ電力を出力させるかを割り振る。
本例の電力制御装置20は、電池電力制御回路22、CAP充電制御回路24、CAP電力制御回路26およびコントローラ30を備える。電池電力制御回路22は、電池10にどれだけ電力を出力させるかを制御する。本例の電池電力制御回路22は、電池10の出力端と負荷200との間に設けられ、電池10に出力させた電力を負荷200に供給する。
CAP電力制御回路26は、キャパシタ12にどれだけ電力を出力させるかを制御する。本例のCAP電力制御回路26は、キャパシタ12の出力端と負荷200との間に設けられ、キャパシタ12に出力させた電力を負荷200に供給する。CAP充電制御回路24は、電池10が出力する電流でキャパシタ12を充電すべき場合に、電池10が出力する電流の少なくとも一部をキャパシタ12に供給する。
コントローラ30は、負荷200に供給される負荷電流Iloadの大きさを時系列に検出することで、負荷電流Iloadの波形を検出する。コントローラ30は、検出した負荷電流Iloadに基づいて、電池電力制御回路22およびCAP電力制御回路26を制御して、電池10およびキャパシタ12にどれだけ電力を出力させるかを割り振る。インバータ14は、電池10およびキャパシタ12が出力した直流電力を交流電力に変換して負荷200に供給する。例えばインバータ14は、直流電力を三相交流電力に変換して、負荷200のモータを駆動する。
図2は、コントローラ30の構成例を示す図である。本例のコントローラ30は、リミッタ32およびフィルタ34を有する。リミッタ32は、負荷電流Iloadの波形を、予め設定された制限値で制限した制限電流波形を生成する。リミッタ32は、負荷電流Iloadの波形を、予め定められた上限値で制限する。また、リミッタ32は、負荷電流Iloadの波形を、予め定められた下限値で更に制限してもよい。なお下限値は負荷電流Iloadにおける負の値であってもよい。この場合の下限値は、負荷200から電池10またはキャパシタ12に回生する電流の制限値である。
フィルタ34は、制限電流波形の帯域を、予め設定された時定数に基づいて制限したフィルタ波形を生成する。例えばフィルタ34は、一次遅れフィルタである。フィルタ34は、生成したフィルタ波形に基づいて、電池10から負荷200に供給する電力を制御する。本例のフィルタ34は、生成したフィルタ波形を電池電力制御回路22に通知することで、電池10にフィルタ波形に応じた電流を出力させる。
差分算出部36は、コントローラ30が検出した負荷電流の波形と、フィルタ34が生成したフィルタ波形との差分に基づいて、キャパシタ12から負荷200に供給する電力を制御する。本例の差分算出部36は、負荷電流の波形からフィルタ波形を減じた差分波形を、CAP電力制御回路26に通知することで、キャパシタ12に差分波形に応じた電流を出力させる。
図3は、負荷電流、電池10が出力する電池電流およびキャパシタ12が出力するキャパシタ電流の各波形の一例を示す図である。図3において横軸は時間を示し、縦軸は電流値を示す。なお、電流値が正の領域は、電池10またはキャパシタ12から負荷200に電流が流れている状態を示し、電流値が負の領域は、負荷200から電池10またはキャパシタ12に電流が回生している状態を示す。なお、電池電流の波形は図2において説明したフィルタ波形に対応し、キャパシタ電流の波形は図2において説明した差分波形に対応する。
本例の負荷電流はステップ状に大きく変化する。これに対して、負荷電流のレベルをリミッタ32で制限することで、電池電流の変動幅を抑えることができる。これにより、負荷電流のピークよりも電池10の最大出力を小さくすることができる。また、負荷電流の帯域をフィルタ34で制限することで、電池電流の急峻な変動を抑えることができる。このため、大容量の電池10のコストを低減することができる。
また、キャパシタ電流は、負荷電流のうち、電池電流がカバーしない電流に対応する。本例のキャパシタ電流は、負荷電流におけるピーク部分および急峻な変動をカバーする。キャパシタ12は、電池10よりも容易に高出力化および高速化できる。このような構成により、負荷に対して安定して電力を供給でき、且つ、低コストな電源システムを実現することができる。
なお、コントローラ30は、リミッタ32で電流値を制限した後に、フィルタ34により波形を滑らかにしている。このため、リミッタ32で電流値を制限したことによる電流波形の急峻な変化も滑らかにすることができる。このため、電池10の負担を低減することができる。
本例におけるリミッタ32の下限値は、0より大きい正の値に設定される。このため、例えば図3における30秒から40秒の区間のように、負荷電流が零の場合であっても、電池10は下限値に応じた電流を出力する。コントローラ30は、電池10が負荷電流よりも大きい電池電流を出力している場合、CAP充電制御回路24を制御することで、電池電流と負荷電流との差分の電流で、キャパシタ12を充電する。これにより、負荷電流が小さい区間でキャパシタ12を充電できるので、負荷200に安定して電力を供給しつつ、キャパシタ12が空になるのを防ぐことができる。また、本例のコントローラ30は、負荷200から電流が回生される区間では、回生電流でキャパシタ12を充電する。コントローラ30は、回生電流で電池10を充電してもよい。
また、リミッタ32の制限値およびフィルタ34の時定数は、負荷200の動作パターンに基づいて予め設定される。負荷200の動作パターンとは、例えば、予め定められた期間における負荷200の消費電力の変動パターンを指す。変動パターンは、負荷200の動作についての予測に基づいて生成されてよく、負荷200に対して与えられた指示、プログラム等の内容から生成されてよく、負荷200の過去の動作履歴に基づいて生成されてよく、その他の方法で生成されてもよい。
図4Aおよび図4Bは、負荷200の動作パターンの一例を示す図である。本例の負荷200は車両である。図4Aは、いわゆるJC08モードで走行する車両の速度の変動を示す動作パターンを示す図であり、図4Bは、JC08モードで走行する車両の駆動パワーの変動を示す動作パターンを示す図である。なお、負荷200の動作パターンは、図4Aおよび図4Bに示したパターンに限定されない。
図5Aは、JC08モードで走行する車両に、電池10のみから電力を供給した場合の、電池10が出力する電力の積算値BWdcを示す図である。図5Bは、JCモードで走行する車両に供給すべき負荷電流を示す図である。図5Bに示すように、負荷電流は大きなピークを有する。
図6Aは、JC08モードで走行する車両に、図1から図3において説明した電力供給システム100から電力を供給した場合の、電池10が出力する電力の積算値BWdcおよびキャパシタ12の出力端子電圧Vscを示す図である。図6Bは、JC08モードで走行する車両に、電力供給システム100から電力を供給した場合の、負荷電流、電池電流およびキャパシタ電流を示す図である。図6Bでは、図3と同様に、負荷電流を点線で示し、電池電流を実線で示し、キャパシタ電流を一点鎖線で示している。なお、負荷電流の波形は、図5Bに示した波形と同一である。
キャパシタ12を設けることで、図5Aの場合に比べ、電池10の出力電力の積算値BWdcが低下している。また、図5Bの場合に比べ、電池10が出力する電池電流のピーク値が小さくなっている。
図7Aは、図6Aの例に比べ、キャパシタ12の容量を2倍にした場合の、電池10が出力する電力の積算値BWdcおよびキャパシタ12の出力端子電圧Vscを示す図である。図7Bは、図6Bの例に比べ、キャパシタ12の容量を2倍にした場合の、負荷電流、電池電流およびキャパシタ電流を示す図である。
キャパシタ12の容量を2倍(または、キャパシタ12を2つ並列に設ける)ことにより、キャパシタ12がカバーできる電流量が増大する。これにより、電池10の負担をより減らせることができる。本例では、図7AおよびBに示すように、電池10の出力は、動作パターンの全区間にわたって、ほぼ一定値となる。
なお、リミッタ32の制限値およびフィルタ34の時定数は、一例として図4A、Bに示したような動作パターンに基づいて、最適な値に予め設定される。本例において最適な値とは、予め設定される評価関数における評価が最も高くなる値を指す。評価関数における評価が最も高いとは、評価関数が最大化問題に関する関数である場合には、評価関数の値が最大値となることを指し、最小化問題に関する関数である場合には、評価関数の値が最小値となることを指す。
一例として、リミッタ32の制限値およびフィルタ34の時定数は、以下の評価関数および制約条件に基づいて決定できる。
Figure 2015119538
本例の評価関数は、動作パターンの期間において、電池電流IDC(t)の最大値(ピーク値)が小さいほど評価が高い関数である。
本例の制約条件は、動作パターンの期間において、キャパシタ電圧VSC(t)が所定の許容範囲VSC_lb<VSC(t)<VSC_ubで変動する条件である。許容範囲は、キャパシタ12の仕様等により定められる。なお、VSC(0)はキャパシタ電圧の初期値、ISCはキャパシタ電流、CSCはキャパシタ12の容量、Rはキャパシタ12の内部抵抗を指す。当該評価関数および制約条件を用いて、電池電流IDC(t)のピーク値を最小化するθ(リミッタ32における制限値)を決定する。
なお、リミッタ32およびフィルタ34における処理は、以下の式で表現できる。
Figure 2015119538
Figure 2015119538
なお、^IDCは、リミッタ32が出力する制限電流波形を示す。また、Tはフィルタ34の時定数、sはラプラス演算子を示す。
上記の評価関数、制約条件および動作パターンが決まれば、評価関数による評価が最も高くなる(数1の例では、評価関数が最小値となる)リミッタ32の制限値およびフィルタ34の時定数の最適解を決定することができる。例えば、選択可能なリミッタ32の制限値およびフィルタ34の時定数の全ての組み合わせについて評価関数による評価を行って、最適解を決定してよい。また、公知の最適化問題の解法を用いて、最適解を決定してもよい。リミッタ32およびフィルタ34には、上述した最適解が予め設定される。これにより、電力供給システム100の動作を、評価関数に応じて最適化することができる。
評価関数は、上記の例に限定されない。例えば、以下のような評価関数を用いることもできる。
Figure 2015119538
本例の評価関数は、動作パターンの終点において、電池10の残容量が多いほど評価が高い関数である。当該関数は、動作パターンの期間における電池10の平均出力電流が小さいほど評価が高い関数ともいえる。なお、BCDCは、電池10の残容量を示す。本例では、数4の評価関数が最大値となるθを決定する。
図8Aは、数4に示した評価関数に基づいてリミッタ32およびフィルタ34を設定した場合の、電池10の残容量およびキャパシタ12の出力端子電圧を示す図である。図8Bは、図8Aに示した例における、負荷電流、電池電流およびキャパシタ電流を示す図である。数4に示した評価関数を用いることで、電池10の残容量を最大化することができる。
図9は、電池10のみで動作した場合、キャパシタ12を用いた場合、キャパシタ12を2つ並列に用いた場合のそれぞれについて、電池10の出力電流の平均値およびピーク値がどのように変動するかを示す図である。キャパシタ12を用いた場合については、数1に示したピーク値を最小にする評価関数、および、数4に示した平均電流を最小にする評価関数のそれぞれについて示している。
図9に示すように、電池10のみで動作させた場合に比べ、キャパシタ12を1つ用いて且つ電流ピークを最小にする評価関数を用いた場合には、ピーク電流が1/3以下、平均電流が1/2以下になった。また、キャパシタ12を2つ用いて且つ電流ピークを最小にする評価関数を用いた場合には、ピーク電流が1/8以下、平均電流が1/2以下になった。なお、本例では、平均電流を最小にする評価関数を用いた場合と、ピーク電流を最小にする評価関数を用いた場合とを比べると、平均電流の低減については大きな差がなく、ピーク電流の低減についてはピーク電流を最小にする評価関数を用いたほうが効果が大きい。いずれの評価関数を用いるかは、動作パターンに応じて適宜選択してよい。
図10は、比較例として、図2に示したリミッタ32およびフィルタ34を入れ替えた場合の、負荷電流、電池電流およびキャパシタ電流を示す図である。つまり、本例のコントローラ30は、負荷電流の波形の帯域をフィルタ34で制限してから、リミッタ32でレベルを制限する。
この場合、図10に示すように、コントローラ30が電池電力制御回路22に通知する電池電流の波形には、リミッタ32でレベルが制限された部分に急峻な変動成分が生じてしまう。このため、電池10に対して電池電流の急峻な変動を要求することになり、電池10の負担が大きくなってしまう。なお、図3に示した例と、図10に示した例において、リミッタ32の制限値およびフィルタ34の時定数は同一である。
図11は、コントローラ30の他の構成例を示す図である。本例のコントローラ30は、図2に示したコントローラ30の構成に加え、設定部38を更に有する。設定部38は、負荷200の動作パターンに基づいて、リミッタ32の制限値およびフィルタ34の時定数の少なくとも一方を設定する。
設定部38には、ユーザ等から動作パターンを示す情報、制約条件を示す情報、および、評価関数を示す情報を受け取る。動作パターンは、例えば図4Bに示したような、JC08モード等における車両の駆動パワーのパターンである。また、制約条件は、例えばキャパシタ12が維持すべき出力端子電圧の上限および下限である。評価関数は、電池10の特性に基づく評価関数であり、例えば、電池10の電池電流の平均値を最小化する評価関数、または、電池電流のピーク値を最小化する評価関数である。
設定部38は、負荷200が当該動作パターンで動作した場合に、キャパシタ12の制約条件を満たしつつ、評価関数が最大値または最小値となるように、リミッタ32の制限値およびフィルタ34の時定数の少なくとも一方を設定する。設定部38は、数1から数4に関連して説明したように、評価関数が最大値または最小値となるような最適解を、リミッタ32およびフィルタ34に設定する。
図12は、コントローラ30の他の構成例を示す図である。本例のコントローラ30は、図11に示したコントローラ30の構成に加え、メモリ40を更に備える。メモリ40は、コントローラ30が検出した負荷電流の波形を記憶する。設定部38は、メモリ40が記憶した負荷電流の履歴に基づいて動作パターンを更新してよい。
例えば負荷200が車両の場合において、メモリ40は、当該車両のカーナビゲーションシステムに行先が指定された出発地および行先に関する情報と、負荷200に供給された負荷電流のパターンとを対応付けて記憶する。設定部38は、メモリ40に登録されている出発地および行先と同一の場所が指定された場合に、対応する負荷電流のパターンをメモリ40から読み出して動作パターンとして用いてよい。設定部38は、当該動作パターンに対して評価関数が最大値または最小値となるように、リミッタ32およびフィルタ34を設定する。
また、設定部38は、メモリ40が記憶した負荷電流の波形において、定期的に相関の高い負荷電流の波形が現れた場合に、当該負荷電流の波形に基づいて新たな動作パターンを生成してもよい。より具体的には、平日の朝等の一定の時間帯に、相関値が所定値以上の負荷電流の波形が繰り返し検出される場合、設定部38は、当該負荷電流の波形の平均値を通勤用の動作パターンとして、当該一定の時間帯における負荷200の動作に対して用いてよい。また、設定部38は、画像認識等により車両の運転者を識別して、運転者毎に設定された動作パターン、またはリミッタ32およびフィルタ34の設定値、を用いてもよい。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
10・・・電池、12・・・キャパシタ、14・・・インバータ、20・・・電力制御装置、22・・・電池電力制御回路、24・・・CAP充電制御回路、26・・・CAP電力制御回路、30・・・コントローラ、32・・・リミッタ、34・・・フィルタ、36・・・差分算出部、38・・・設定部、40・・・メモリ、100・・・電力供給システム、200・・・負荷

Claims (6)

  1. 電池およびキャパシタから負荷への電力供給を制御する電力制御装置であって、
    前記負荷に供給される負荷電流の波形を、予め設定された制限値で制限した制限電流波形を生成するリミッタと、
    予め設定された時定数に基づいて、前記制限電流波形の帯域を制限したフィルタ波形を生成し、前記フィルタ波形に基づいて前記電池から前記負荷に供給する電力を制御するフィルタと、
    前記負荷電流の波形と、前記フィルタ波形との差分に基づいて、前記キャパシタから前記負荷に供給する電力を制御する差分算出部と
    を備える電力制御装置。
  2. 前記負荷の動作パターンに基づいて、前記リミッタの制限値および前記フィルタの時定数の少なくとも一方を設定する設定部を更に備える
    請求項1に記載の電力制御装置。
  3. 前記設定部は、前記キャパシタの残容量の制約条件および前記電池の特性に基づく評価関数が設定され、前記負荷が前記動作パターンで動作した場合に、前記キャパシタの前記制約条件を満たしつつ、前記評価関数における評価が最も高くなるように、前記リミッタの制限値および前記フィルタの時定数の少なくとも一方を設定する
    請求項2に記載の電力制御装置。
  4. 前記評価関数は、前記負荷が前記動作パターンで動作した場合の、前記電池の残容量が多いほど評価が高くなる関数、または、前記電池が出力する電流のピーク値が小さいほど評価が高くなる関数である
    請求項3に記載の電力制御装置。
  5. 前記設定部は、前記負荷の動作の履歴に基づいて前記動作パターンを生成し、生成した前記動作パターンに基づいて、前記リミッタの制限値および前記フィルタの時定数の少なくとも一方を設定する
    請求項3または4に記載の電力制御装置。
  6. 請求項1から5のいずれか一項に記載の電力制御装置、前記電池および前記キャパシタを備える電力供給システム。
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