JP2021065077A - 電源装置およびモータユニット - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー密度は高いが、出力密度が低い特性のリチウムイオン電池を用いても、高負荷時にパワー不足など不具合が発生しないようにする電動式建産農機の電源装置を提供する。【解決手段】電源制御装置１は、二次電池５（リチウムイオン電池）と、二次電池に並列にリチウムイオンキャパシタ６を備え、高負荷時にはリチウムイオンキャパシタから放電し、通常負荷時には二次電池から放電する。二次電池の充電は外部電源から行い、リチウムイオンキャパシタの充電は二次電池からに加え、駆動モータ５４からの回生エネルギーを蓄電することで省エネルギー効果を発揮できる。【選択図】図３

Description

本発明は、電源装置およびモータユニットに関する。

通常の建産農機業界の、油圧ショベルでは燃料をエネルギーとして、各油圧アクチュエータを駆動させることによって、目的とする仕事に変換する機械になる。
燃料が持つエネルギーはエンジンに軸出力に変換されるが、ここで約６０％が熱として放出される。エンジンの軸出力によって油圧ポンプを駆動して油圧エネルギーに変換し、配管及びコントロールバルグをかいして各油圧アクチュエータに分配するが、多くのエネルギーが油圧システム内で損失する。このほか作業中に発生する位置エネルギーや慣性エネルギーも、油圧システム内で熱に変換して捨てることになる。省エネの観点から電動式建産農機が望まれている。一方電動モータは三相直流２００Ｖ系であり電池の電圧はそれに見合う電圧が求められているが、出力変動、負荷変動が大きくリチウムイオン電池では課題を残している。合わせて出力変動、負荷変動に強い電池デバイス（リチウムイオンキャパシタ）などが求められている。

特開２０１５−２０４６５５号公報

ハイブリット式建産農機は、走行、旋回は電動モータを減速機に直結し駆動しているが、それに鉛電池やリチウムイオン電池が使われている。減速時ではエネルギー回生ができ油圧損失もなくエネルギー効率向上を図るメリットがある。リチウムイオン電池は、エネルギー密度は高いが出力密度が低いので高負荷時などはパワー不足となり、不具合が発生しエンジンとのハイブリット式になっている。エンジンを使わないＣＯ２の削減と静音化に繋がる完全ＥＶ方式の建産農機が求められている。

本発明は、モータに電力を供給する電源装置であって、前記モータに電力供給するための二次電池と、前記モータに対して前記二次電池に並列に接続され、前記モータに電力を供給するためのリチウムイオンキャパシタと、前記モータへの電力の供給元を、前記二次電池と、前記リチウムイオンキャパシタとの間で切り替える電力切替制御部、を含む、電源装置を提供する。

モータへの電力の供給元が、二次電池とリチウムイオンキャパシタとの間で切り替えられるのでモータに大電流（起動電流）を供給する必要がある場合には、出力密度が高いリチウムイオンキャパシタからモータに電力供給する。そして、モータに大電流を供給する必要がない場合には、二次電池からモータに電力供給する。そのため、二次電池の供給電力を増やすことなく、モータに高電流を供給出来る。

本発明の一実施形態に係る電源装置の分解斜視図である。 電源装置の動作を説明するための図である。 電源装置および、駆動モータのブロック図である。 電源装置から駆動モータへの出力電流の変化を示す図である。 電源装置による電源処理を示すメインフローチャートである。 電源装置における充電制御処理の制御形態を示すフローチャートである。 電力供給系統処理を示すフローチャートである。

図１は、本発明の一実施形態に係る電源装置１の分解斜視図である。
図２は、電源装置１の動作を説明するための図である。電源装置１は、駆動モータ５４に電力を供給するための電源装置１である。電源装置１は、駆動モータ５４に電力を供給するための二次電池５と、駆動モータ５４対して二次電池５に並列に接続され、駆動モータ５４に電力を供給するためのリチウムイオンキャパシタ６と、駆動モータ５４への電力の供給を、二次電池５とリチウムイオンキャパシタ６との間で切り替える制御装置７０（電力切替制御部）と、を含む。二次電池５は、電源として機能している。二次電池５は、リチウムイオン電池、鉛電池、ニッケル水素電池等を例示できるが、一例としてはリチウムイオン電池である。二次電池５はそのエネルギー容量が大きい。電源装置１は、リチウムイオンキャパシタ６の電圧を監視するバランス回路２（基板）をさらに含む。リチウムイオンキャパシタ６は、複数のセル（図示）を含む。リチウムイオンキャパシタ６は、出力密度が高いという特性を有しており、加えて二次電池５の高容量化を防げるメリットもある。リチウムイオンキャパシタ６は、電源装置１の補助的な電源として機能する。リチウムイオンキャパシタ６は、高負荷時において、駆動モータ５４に大電流を放電する。

図２に示すように、通常時には、駆動モータ５４に対して二次電池５から電力が供給される。通常時には、リチウムイオンキャパシタ６からは駆動モータ５４に電力は供給されない。
一方、駆動モータ５４に高負荷が作用した場合には、二次電池５からではなく、リチウムイオンキャパシタ６から駆動モータ５４に電力が供給される。これらの電力供給の切り替えは、制御装置７０によって行われる。
駆動モータ５４からの回生エネルギー（駆動モータ５４の逆回転により生じるエネルギー）は、リチウムイオンキャパシタ６に供給され、リチウムイオンキャパシタ６に貯えられる。
図に示している通り、回生エネルギーは電源制御装置１に戻されるが、従来の二次電池では、内部抵抗が大きいため瞬時に大電流を取り込むことが出来ず、熱エネルギーとして放出していた。一方、リチウムイオンキャパシタ６は、内部抵抗が小さく、耐熱性が高いので、回生エネルギーを瞬時に取り込むことが出来る。更に、リチウムイオンキャパシタ６が取り込むことで二次電池の負担軽減に繋がり加えて、長寿命化が可能となる。
また、リチウムイオンキャパシタ６は、二次電池５からの電力供給によって充電される。二次電池５は、オンボードチャージャー（外部電源）やワイヤレス給電システム（外部電源）から電力供給によって充電される。

図３は、電源制御装置１および駆動モータ５４のブロック図である。
図３に示すように、駆動モータ５４は、モータ本体Ｍと、モータ本体Ｍを駆動制御するモータ制御装置６０と、を含む。
モータ制御装置６０は、モータ電流算出部６２と、電流値比較部６３と、制御信号生成部６４とを備える。なお、以下に説明するモータ制御装置６０及び電源制御装置７０の各部は、プログラムに従ったＣＰＵの処理機能を表すものである。

制御装置７０は、蓄電量監視部７２と、放電切替制御部７３と、充電制御部７６とを、含む。モータ制御装置６０及び制御装置７０は、演算手段としてのＣＰＵ、駆動モータ５４（モータ本体Ｍ）の駆動制御や電力供給制御に要するプログラムを記憶するＲＯＭ、及び各種センサからの入力値や演算結果を一時的に記憶するＲＡＭ等の記憶手段等のハードウエアを含む。以下モータ制御装置６０及び制御装置７０の詳細について説明する。

図３に示すように、電源装置１は、二次電池５、リチウムイオンキャパシタ６および制御装置７０の他にＤＣ／ＤＣコンバータ７４と、切替スイッチ７５を含む。ＤＣ／ＤＣコンバータ７４の制御は、充電制御部７６によって実行される。蓄電量監視部７２は、二次電池５およびリチウムイオンキャパシタ６の充電量を監視しその情報を使用者側（駆動モータ側）へ情報を出す。電源装置１の出力としては、負荷の状態を検知した駆動モータ５４側の指令信号により、バッテリーの出力を二次電池５、あるいはリチウムイオンキャパシタ６に切り替えて出力が出来るよう構成している。

制御信号生成部６４は、電流値比較部６３により設定された目標電流値又は上限電流値に応じたアシスト力が得られるようにモータ本体Ｍを制御するためのモータ駆動信号を生成する。

モータ駆動制御部６６は、モータ本体Ｍを駆動制御するドライバ回路である。モータ駆動制御部６６は、制御信号生成部６４により生成されたモータ駆動信号に基づいて、二次電池５、又は二次電池５及びリチウムイオンキャパシタ６から供給される電源をモータ本体Ｍに駆動トルクに応じたアシスト力を供給する。

モータ駆動制御部６６には、モータ本体Ｍの駆動に必要な電力を供給する電源となる二次電池５およびリチウムイオンキャパシタ６とが接続される。二次電池５は、エンジンの回転により発電する図示しない交流発電機（オルタネータ）と接続され、車輛の運転中に常時所定の電気容量を維持するように充電することも可能である。

蓄電量監視部７２は、リチウムイオンキャパシタ６と接続され、リチウムイオンキャパシタ６に蓄積されている蓄電残量（以下蓄電量という）を検出することにより、リチウムイオンキャパシタ６からモータ駆動制御部６６に電力を供給可能か、或いは充電を必要としているかについて監視する。本実施形態では、蓄電量監視部７２はリチウムイオンキャパシタ６の蓄電量の増減により変化するリチウムイオンキャパシタ６のセル毎のセル電圧値（以下セル電圧という）を検出することでリチウムイオンキャパシタ６の蓄電量を監視するものである。二次電池５やリチウムイオンキャパシタ６は、使用に適した上限電圧と下限電圧が設定されているため、上限電圧を超える充電や、下限電圧を超えて放電がなされた場合には安全性の欠落が起き、性能劣化を引き起こす可能性がある。よって、閾値を上限電圧未満、下限電圧以上に設定することが望ましい。

図４は、電源装置１から駆動モータ５４への出力電流の変化を示す図である。図４（ａ）には、出力電流の合計波形を示し、図４（ｂ）には、個々の出力電流の波形示している。図４（ｂ）において、実線は、リチウムイオンキャパシタ６の波形である。破線は、二次電池５の波形である。出力するエネルギーとして始動時に大きなピーク電流が現れ、慣性動作時には電流値は低くなるが持続的なエネルギーを必要とし、停止へ向かうと電流は待機電力分へと変化する。その間の電源装置１内部の電流の流れとしては、始動時には主にエネルギー密度の高いリチウムイオンキャパシタ６から出力し、動作が安定し慣性動作でエネルギー密度よりエネルギー容量が必要になった時に二次電池５から出力する。また、同時に次に大きなエネルギーを必要とする時への備えとして、二次電池５からリチウムイオンキャパシタ６への充電を行っていることを表す。

図５は、電源装置１による電源処理を示すメインフローチャートである。以下フローチャートの主な処理について説明する。
電源装置１では、以下のようなプログラムが実行される。すなわち検出ステップＳ１で、二次電池５にアラームが発生なく使用可能であるかを検出する。ステップＳ１においてＹｅｓの場合はＳ２へ進み、二次電池５が出力可能の信号を出しかつ二次電池５の出力しステップＳ３に進む。ステップＳ１においてＮｏの場合は二次電池５の異常アラームを出力する。ステップＳ３で、リチウムイオンキャパシタ６がアラームを出ておらず充電が完了して使用可能であるかを検出する。ステップＳ３においてＹｅｓの場合はＳ４へ進みピーク出力可の信号を出しリチウムイオンキャパシタ６出力を待機状態とする。ステップＳ３においてＮｏの場合は使用可能となるまでまつ。ステップＳ５では、リチウムイオンキャパシタ６の出力指示の信号を待ち、ステップＳ５においてＹｅｓの場合は二次電池出力をＯＦＦとし、リチウムイオンキャパシタ６の出力をＯＮとする。Ｎｏの場合は待機を継続する
ステップＳ７ではリチウムイオンキャパシタ６の電圧が使用可能であるかを検出する。ステップＳ７においてＹｅｓの場合はリチウムイオンキャパシタ６の出力指示を待つ。ステップＳ７においてＮｏの場合は使用可能である状態までＳ３へ戻る。

図６は、電源装置１における充電制御処理の制御形態を示すフローチャートである。以下フローチャートの主な処理について説明する。
二次電池５の状態を検出する検出ステップＳ１００では、二次電池５の電圧が仕様範囲上限値Ａ未満であるかを検出する。ステップ１００においてＹｅｓの場合はステップＳ１０１へ進み、ステップＳ１００においてＮｏの場合は二次電池５が異常であるむねのアラームを返す。Ｓ１０１で、二次電池５の電圧が仕様範囲下限値Ｂ以上であるかを検出する。ステップ１０１においてＹｅｓの場合はＳ１００へ戻り、Ｎｏの場合は二次電池５の電力不足であるむねのアラームを出力する。

図７は、電力供給系統処理を示すフローチャートである。以下フローチャートの主な処理について説明する。
リチウムイオンキャパシタ６の状態を検出する検出ステップＳ２００は、リチウムイオンキャパシタ６の仕様許容下限電圧値ａ以上であるかを検出する。ステップＳ２００においてＹｅｓの場合はステップＳ２０１へ進み、ステップＳ１００においてＮｏの場合は、リチウムイオンキャパシタ６が異常であるむねのアラームを返す。ステップＳ２０１は、リチウムイオンキャパシタ６の仕様許容上限電圧値ｂ以下であるかを検出する。ステップＳ２０１においてＹｅｓの場合はＳ２０２へ進み、ステップＳ２０１Ｎｏの場合は、リチウムイオンキャパシタ６が異常であるむねのアラームを返す。ステップＳ２０２は、リチウムイオンキャパシタ６の出力可能である電圧値ｃ以上であるかを検出する。ステップＳ２０２においてＹｅｓの場合はリチウムイオンキャパシタ６の出力が可能であるむねの信号を返し、ステップＳ２０１においてＮｏの場合は二次電池からリチウムイオンキャパシタ６へ充電を行い、Ｓ２００へ戻る。

本発明の効果は以下の４である。
１、駆動モータ５４への電力の供給元が、二次電池５とリチウムイオンキャパシ６の間で切り替えられるので駆動モータ５４に大電流（起動電流）を供給する必要がある場合には、出力密度が高いリチウムイオンキャパシタ６から駆動モータ５４に電力供給する。そして、駆動モータに大電流を供給する必要がない場合には、二次電池５から駆動モータ５４に電力供給する。そのため、二次電池５の供給電力を増やすことなく、駆動モータ５４に高電流を供給出来る。ゆえに二次電池５の高容量化を防げる。
２、回生エネルギーの取り込み先が、二次電池５ではなく、リチウムイオンキャパシタ６である。リチウムイオンキャパシタ６の充電容量が大きいので、回生エネルギーを捨てなくても良いので、回生エネルギーを有効に活用できる。ゆえに省エネルギー化を図ることができる。
３、駆動モータ５４に加わる負荷の大きさに基づいて、駆動モータ５４への電力の供給元を変えるので、駆動モータ５４に加わる負荷の大きさによらずに安定的に駆動モータ５４に電力を供給できる。
４、駆動モータ５４への負荷が大き過ぎるときや小さ過ぎるときには、駆動モータ５４への電力の供給先を、二次電池５ではなく負荷変動に強いリチウムイオンキャパシタ６とする。二次電池５として用いられるリチウムイオン電池５は高負荷状態と低負荷状態を繰り返すことにより劣化する（負荷変動に弱い）が、この実施形態では標準的な負荷の場合だけ、電力の供給元を、二次電池５とする。したがつて二次電池５の長寿命化を図ることができる。

１ 電源制御装置
２ バランス回路基板
５ 二次電池
６ リチウムイオンキャパシタ
５４ 駆動モータ
６０ モータ制御装置
６２ モータ電流算出部
６３ 電流比較部
６４ 制御信号生成部
６６ モータ駆動制御部
７０ 制御装置
７２ 蓄電量監視部
７３ 放電切替制御部
７４ ＤＣ−ＤＣコンバータ
７５ スイッチ部
７６ 充電制御部

Claims (3)

1. モータに電力を供給する電源装置であって、
   前記モータに電力供給するための二次電池と、
   前記モータに対して前記二次電池に並列に接続され、前記モータに電力を供給するためのリチウムイオンキャパシタと、
   前記モータへの電力の供給元を、前記二次電池と、前記リチウムイオンキャパシタとの間で切り替える電力切替制御部と、を含む電源装置。
2. 前記リチウムイオンキャパシタの蓄電量が予め定める閾値よりも低くなっている場合に、前記二次電池から前記リチウムイオンキャパシタに電力を供給する充電制御部をさらに含む、請求項１に記載の電源装置。
3. 前記モータと、
   前記電源装置と、を含むモータユニットであって、
   前記電力切替制御部が、前記モータの出力トルクに基づいて、前記のモータの電力の供給元を切り替える、モータユニット。

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