JP3977841B2

JP3977841B2 - バッテリ用電力回路

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Publication number: JP3977841B2
Application number: JP2004567152A
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Inventors: 達也奥田; 隆浩浦壁
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
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Filing date: 2003-11-18
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Description

この発明はバッテリ用電力回路に関し、特に、自動車等の車両に搭載されて用いられるバッテリ用電力回路に関する。

従来のバッテリ用電力回路は、電動機の始動時および力行時の出力電力を確保しつつ、コンデンサ容量を低減するために、１２Ｖバッテリと直列にコンデンサ（又は小容量の高出力バッテリ）を接続し、それらのエネルギー移行のための小容量のＤＣ／ＤＣコンバータを付加している。このバッテリ用電力回路では、電動機の力行時にＤＣ／ＤＣコンバータを昇圧動作させることで、比較的小容量のコンデンサ容量（又は比較的小容量のバッテリ）で所望の出力を得ることが可能となる（例えば、特開２００２−２１８６６７号公報（図３）参照。）。
従来のバッテリ用電力回路において、アイドルストップ動作（停止／始動動作）を連続して行うと、バッテリ群に直列接続されたコンデンサ群への再充電が不十分となり、インバータを介してモータへ十分な電力を供給することができなくなり、車両のモータによる所定の始動動作ができなくなるという問題点があった。所定の始動動作というのは、モータによりエンジン回転を停止状態からアイドル回転（エンジン回転で８００ｒｐｍ程度）域まで上げる動作のことである。
また、コンデンサの電圧不足のため、十分なモータ出力を得ることができなくなり、モータでの始動ができなくなるという問題点があった。
また、アイドルストップ動作が連続すると、コンデンサへの再充電時間が十分とれなくなるため、始動動作時のコンデンサ電圧が様々な値になり、その状態で始動動作を行うことになる。始動動作時、コンデンサ電圧に依らず一定出力でＤＣ／ＤＣコンバータを動作させると、コンデンサ電圧値に寄ってはバッテリ、コンデンサ、ＤＣ／ＤＣコンバータで構成されるバッテリ駆動回路システム全体の効率が悪くなるという問題点があった。効率の悪化はシステム全体としての発熱量の増大をまねき、特に、発熱による温度上昇によるコンデンサの寿命劣化、そして、他の機器への加熱という問題が懸念される。
また、コンデンサやバッテリには内部抵抗が存在するため、エンジン再始動時等の大電力出力時には、内部抵抗による電圧ドロップのため、バッテリに接続された他の車載機器に悪影響を及ぼす可能性があった。特に、コンデンサの充電電圧が低い場合やバッテリのＳＯＣ（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）が低い場合には、エンジン再始動に必要なバッテリ電流が増加し、バッテリ出力電圧が低下するという問題点があった。
エネルギー回生時において、電動機によって発電したエネルギーは、バッテリとコンデンサの直列体に充電する。バッテリとしての鉛酸蓄電池の許容出力電力密度は１００Ｗ／ｋｇ〜２００Ｗ／ｋｇ程度と低く、許容入力電力密度はさらに低い。このため、回生時の充電電流は、バッテリの許容入力電流によって決まっていた。なお、バッテリの許容入力電力密度は、バッテリの電圧がほぼ一定であるので、許容入力電流に比例する。そのため、コンデンサの高速充電特性を利用できず、電動機の発電電力を制限する必要があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、連続してアイドルストップ動作を行った場合でも、始動時のモータへの供給電力の低下を防止し、所定のエンジン回転数を得るためのバッテリ用電力回路を得ることを目的とする。
また、第２の目的は、車両制動時などに電動機により発電される瞬時的な大きなエネルギーを、バッテリへのダメージを与えることなく回生するバッテリ用電力回路を得ることである。
この発明に係るバッテリ用電力回路は、第１のエネルギー蓄積源と、上記第１のエネルギー蓄積源に直列に接続された第２のエネルギー蓄積源と、上記第１のエネルギー蓄積源と上記第２のエネルギー蓄積源との間で電力を変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、上記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御手段とを備えている。
この発明の上記制御手段は、上記直列接続電源の第１および第２のエネルギー蓄積源のうち、高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源の電圧を検知し、検知した電圧が所定の第１の閾値電圧より小さい場合は上記ＤＣ／ＤＣコンバータにより、上記高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源への充電を行うので、連続してアイドルストップ動作を行った場合でも、始動時のモータへの供給電力の低下を防止し、所定のエンジン回転数を得ることができる。
また、この発明は、車両の車軸に連結した電動機と上記直列接続された上記第１のエネルギー蓄積源および上記第２のエネルギー蓄積源との間で電力を変換する電力変換回路をさらに備え、制御手段は、上記電動機の回生電力が上記電力変換回路から上記第１のエネルギー蓄積源と上記第２のエネルギー蓄積源とに充電されるとき、上記第１のエネルギー蓄積源の入力電流が上記第１のエネルギー蓄積源の許容入力電流以下になるように上記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するので、バッテリおよびコンデンサの充電電力を増加することができる。

図１は、本発明に係るバッテリ用電力回路の構成を示した構成図である。
図２は、本発明に係るバッテリ用電力回路に設けられたＤＣ／ＤＣコンバータの制御条件を決定するための計算モデルを示した説明図である。
図３は、本発明に係るバッテリ用電力回路に設けられた各ＤＣ／ＤＣコンバータ出力におけるコンデンサ群の充電電圧と出力電圧の関係を示した説明図である。
図４は、従来のバッテリ用電力回路におけるコンデンサ初期電圧値とアイドルスタート回数（連続動作）との関係を示した説明図である。
図５は、本発明に係るバッテリ用電力回路における制御方法を示した流れ図である。
図６は、本発明に係るバッテリ用電力回路におけるバッテリ電圧とモータを所望の回転数まで上昇させることができるコンデンサの閾値電圧との関係を示した説明図である。
図７は、本発明に係るバッテリ用電力回路におけるＤＣ／ＤＣ出力電力毎のコンデンサ電圧と、バッテリとコンデンサ群とＤＣ／ＤＣコンバータを１つの電力回路とみた場合のシステム効率との関係を示した説明図である。
図８は、本発明に係るバッテリ用電力回路におけるコンデンサ電圧とＤＣ／ＤＣコンバータの出力閾値電圧との関係を示した説明図である。
図９は、本発明の実施の形態２に係るバッテリ用電力回路の動作を示した流れ図である。
図１０は、本発明の実施の形態２に係るバッテリ用電力回路におけるＤＣ／ＤＣコンバータ出力とバッテリ端子電圧との関係を示した説明図である。
図１１は、この発明の実施の形態３に係るバッテリ用電力回路の構成を示す回路図である。
図１２は、図１１の制御回路の詳細なブロック図である。
図１３は、図１１の回生制御のフローチャートである。
図１４は、図１１の回生制御のフローチャートである。
図１５は、図１１のバッテリ用電力回路の充電する様子を示す図である。
図１６は、バッテリの許容入力電力を１ｋＷとしたときの、コンデンサ電圧とバッテリ用電力回路の最大回生電力との関係を示す図である。
図１７は、比較的短時間で大きな車両制動力が要求された時に、バッテリ用電力回路に回生する回生電力を示す。
図１８は、この発明の実施の形態４に係わるバッテリ用電力回路の回生制御のフローチャートである。
図１９は、この発明の実施の形態４に係わるバッテリ用電力回路の回生制御のフローチャートである。
図２０は、図１８および図１９のフローチャートで充電する様子を示す図である。
図２１は、この発明の実施の形態５に係わるバッテリ用電力回路の回生制御のフローチャートである。
図２２は、この発明の実施の形態５に係わるバッテリ用電力回路の回生制御のフローチャートである。
図２３は、この発明の実施の形態６に係わるバッテリ用電力回路の回生制御のフローチャートである。
図２４は、この発明の実施の形態６に係わるバッテリ用電力回路の回生制御のフローチャートである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態に係るバッテリ用電力回路の構成を示した回路図である。図示されているように、バッテリ（第１のバッテリ群）１と、第２のバッテリ群としてのコンデンサ群２とが直列接続されて、直列接続電源を構成している。コンデンサ群は大容量のキャパシタであり、例えば電気二重層キャパシタやアルミ電解コンデンサ等が使用できる。図１には表記していないが、バッテリ１には車載機器等の電気負荷（図示せず、特許文献１参照）が接続される。なお、以下の説明においては、バッテリ１が、上記直列接続電源のうち、低電圧側に配置されたエネルギー蓄積源であり、コンデンサ群２が、上記直列接続電源のうち、高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源であるとする。３はバッテリ１とコンデンサ群２との間に挿入されたＤＣ／ＤＣコンバータであり、上アームスイッチとしてのＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）３１、下アームスイッチとしてのＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）３２、インダクタンス３３、平滑コンデンサ３４によって構成されている。４はバッテリ１とコンデンサ群２の直列対の両端に接続された電力変換回路で、バッテリ１とコンデンサ群２のエネルギーと、電動機（モータ）９のエネルギーの電力変換を行っている。１０はエンジンで、電動機９に直結またはベルト等を介して機械的に接続されることで、エンジン１０と電動機９の動力伝達が行われる。５はＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力指令信号を与えるための制御装置で、バッテリ１の端子間電圧、平滑コンデンサ３４の端子間電圧、電力変換回路４の入力電流に応じて、ＭＯＳＦＥＴ３１およびＭＯＳＦＥＴ３２に指令信号を出力する。
なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の構成については、図１に示したものの他に、種々の方式が考えられるが、基本的にバッテリ１とコンデンサ群２間の電力電送が行えるものであれば、どの方式でもよい。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３にはＭＯＳＦＥＴ３１，３２を使用しているが、ＩＧＢＴやバイポーラトランジスタ等の半導体素子を用いるようにしても構わない。
また、図１には記載していないが、バッテリ１とコンデンサ群２には内部抵抗が存在し、バッテリ１やコンデンサ群２に大電流が流れると、その内部抵抗によって電圧ドロップが発生し、電力変換回路４には、バッテリ１とコンデンサ群２の合計電圧から各々の電圧ドロップを引いた電圧が印加される。
次に、動作について説明する。本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の制御方法に関するものである。以下においては、本発明についてある一つの条件を例にとって説明する。バッテリ１は出力電圧１２Ｖ、内部インピーダンス８ｍΩである。コンデンサ群２は、耐電圧２．５Ｖ、内部インピーダンス８ｍΩ、容量１００Ｆの電気二重層キャパシタを３並列４直列に接続したコンデンサブロックである。コンデンサ群２の最大電圧は１０Ｖということになる。始動動作時、電力変換回路４には、バッテリ１の電圧１２Ｖが加えられて最大２２Ｖが印加されている。これは、始動時、電力変換回路４の入力電圧をバッテリ電圧以上にして、高出力化し、所定のモータ回転数（アイドル回転数、エンジン回転数で８００ｒｐｍ程度、モータ回転数で２０００ｒｐｍ程度）に達するまで、電動機９のみで上げるためである。
図２に本発明のＤＣ／ＤＣコンバータ３の制御条件を決めるための計算モデルを示す。始動時の動作時間は０．３秒程度と短いため、コンデンサ群２を電源と見なし、コンデンサ電圧の過渡的な変化を無視している。ηは効率であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電力０．５ｋＷ〜２ｋＷで、０．９７５〜０．９と変化するとした。ｎは昇圧比、ΔＶはコンデンサ群２のコンデンサ電圧、ｒはコンデンサ内部抵抗、Ｖはバッテリ１のバッテリ電圧、Ｒはバッテリ内部抵抗である。計算モデルから得られる方程式を以下に示す。

上式を解くことにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力毎のコンデンサ群２の充電電圧（図中、積み上げ電圧）と出力電圧（Ｖｏｕｔ、電力変換回路４入力電圧）の関係を導くことができる。出力条件は、電動機９の所定のモータ出力を得ることができる４ｋＷである。
図３に各ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力におけるコンデンサ群２の充電電圧と出力電圧の関係を示す。上記の所定の始動動作を満足するには、出力電圧（電力変換回路４の入力電圧）が１０Ｖ以上必要である。なぜなら、始動動作時、モータ回転数が上がってくると、電動機９自身が発生する逆起電圧により、電圧が低いと電動機９へ電流が流せなくなり、モータ出力を得ることができなくなるためである。また、本発明の実施の形態において、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の最大出力電力は２ｋＷである。図３より、積み上げ電圧４Ｖ未満においては出力電圧が１０Ｖ以上得られないことがわかる。また、同図より、積み上げ電圧４ＶではＤＣ／ＤＣ出力２ｋＷが必要なこともわかる。
このように、本実施の形態において、積み上げ電圧が４Ｖ未満では所定の出力（１０Ｖ以上、４ｋＷ）が得られないことがわかる。本実施の形態では、アイドル停止から再始動までの時間を利用してＤＣ／ＤＣコンバータ３を昇圧動作させることによりコンデンサ群２を充電するか、車両の走行時に電動機９から発電される電力を利用して充電している。そのときの充電電圧は耐圧近くの約１０Ｖである。ＤＣ／ＤＣコンバータ３を用いて充電する場合、充電時間は数秒程度である。しかし、停止−始動動作が連続して発生する場合、コンデンサ群２への充電時間を十分とることができなくなるため、コンデンサ電圧が徐々に低下してしまい、最終的には電圧不足になり、所定のモータ出力が得られなくなる。図４に、コンデンサ満充電状態から再充電なしに連続してアイドルストップ動作をした場合の、アイドルストップ回数とそのときのコンデンサ群２の初期電圧値の関係を示す。４ｋＷを０．３秒間、電力変換回路４へ出力した場合の計算結果である。このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、バッテリ１、コンデンサ群２、ＤＣ／ＤＣコンバータ３で構成されるシステムが最大効率となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力を制御している。この最大効率制御に関しては、後で説明する。
図４より、コンデンサ電圧はアイドルストップ動作を９回連続で行うと、９回目のコンデンサ初期充電電圧が３．２Ｖ程度となり、所定のモータ出力が得られなくなることがわかる。本発明の実施の形態では、アイドルストップ動作が連続した場合においても所定のモータ出力が得られるように、図５に示すようなエンジン１０、電動機９、電力変換回路４を含めたシステム的な制御を行っている。
動作について図５を用いて説明する。まず、車両が停止しエンジンを停止する場合は、コンデンサ電圧Ｖｃを検知し（ステップＳ１）、その電圧が４Ｖ（第１の閾値電圧）未満か否かを判定する（ステップＳ２）。４Ｖ未満の場合は、アイドル状態を維持する（ステップＳ３）。そして、そのままアイドル状態を維持しつつ、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を動作させ、コンデンサ電圧Ｖｃを昇圧して、コンデンサ電圧Ｖｃが４Ｖ以上になるようにコンデンサ群２への充電を行う（ステップＳ４）。一方、ステップＳ２の判定において、コンデンサ電圧Ｖｃが４Ｖ以上の場合は、エンジン１０を停止させる（ステップＳ５）。コンデンサ電圧Ｖｃが不十分で始動する場合は（すなわち、４Ｖ未満のとき）、エンジン１０はステップＳ３においてアイドル状態であるから、ステップＳ５のアイドル停止なしに始動することになる。この制御方法により、電圧不十分による電動機９による始動不能状態への懸念が無くなり、また、電圧不足でモータ始動した場合の所定のエンジン回転数以下でのエンジン点火による有害排気物量の増大といった問題も無くなる。
また、バッテリ１の電圧を検知し、バッテリ１の電圧に応じてコンデンサ電圧の第１の閾値電圧（本実施の形態では４Ｖ）を調整する事で、アイドルストップ後のモータ始動をより確実に行う事が可能となる。以下、その制御方法について述べる。
バッテリ１はそのＳＯＣ（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）によって、無負荷時の出力電圧Ｖが若干変化し、１２Ｖバッテリであれば±１Ｖ〜±２Ｖ程度の電圧変動を伴う。１２Ｖバッテリの電圧値が変動すると、バッテリ１の最大出力電力も変動するため、電力変換回路４に所望の電力や電圧（本実施の形態では、４ｋＷ／１０Ｖ以上）を供給できなくなり、モータ始動不足になる可能性がある。図６に、バッテリ電圧とモータを所望の回転数まで上昇させる事ができるコンデンサ群２の閾値電圧との関係を示す。バッテリ電圧が１２Ｖの時のコンデンサ群２の閾値電圧は４Ｖであったのに対し、バッテリ電圧が１１Ｖに低下するとコンデンサ群２の閾値電圧は５．５Ｖに上昇する。逆に、バッテリ電圧が１３Ｖの時のコンデンサの閾値電圧は２．５Ｖに低下する。このように本実施の形態では、バッテリ群１のＳＯＣが高い（バッテリ電圧が高い）時にはコンデンサ電圧の第１の閾値電圧を低くし、バッテリ群１のＳＯＣが低い（バッテリ電圧が低い）時にはコンデンサ電圧の第１の閾値電圧を高くする事で、アイドルストップによるエンジン再始動を確実に行う事ができる。
次に、本発明の実施の形態のもう一つのＤＣ／ＤＣコンバータ制御（最大効率制御）に関して説明する。上述の（１）〜（６）式を用いて計算した、ＤＣ／ＤＣ出力電力毎のコンデンサ電圧（図中、積み上げ電圧）と、バッテリ群１とコンデンサ群２とＤＣ／ＤＣコンバータ３を一つの電力回路とみた場合のシステム効率の関係を図７に示す。出力条件は４ｋＷである。図からわかるように、各コンデンサ電圧条件においてシステムの最大効率が得られるＤＣ／ＤＣコンバータ３の駆動出力条件は異なり、各コンデンサ電圧において最適条件があることがわかる。コンデンサ電圧値が一定値にできない理由は上述の通りである。
最大効率が得られる条件で、アイドルストップ状態から電動機９によってエンジン１０を始動動作させることのメリットは、同じ出力を得るのに効率が良い分だけ、発熱がシステムとして小さいということである。効率最大条件で電力回路を動作させることにより、発熱が最小限に抑えることが可能となり、特にコンデンサ群２の発熱が大幅に抑制される。コンデンサ群２の発熱が抑えられることにより、コンデンサ群２の温度上昇による寿命劣化の問題が無くなり、さらに、エンジンルームに配置される電力回路全体の発熱が抑えられることにより、他の機器への加熱という問題も小さくなる。図７において、例えば、積み上げ電圧６Ｖとした場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ出力０Ｗでは瞬時発熱２２６０Ｗであるのに対して、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を１．５ｋＷ動作させると１５３０Ｗの瞬時発熱量に低下することがわかる。また、１０Ｖのポイントをみると、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を２ｋＷ動作させると、瞬時１２６０Ｗ発熱するのに対して、０．５ｋＷ動作では瞬時８８０Ｗになることがわかる。
よって、本発明の実施の形態においては、コンデンサ電圧を検知しその電圧値に対応してＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電力を制御している。図８に、本実施の形態のコンデンサ電圧（図中、積み上げ電圧）とＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力閾値電圧の関係を示す。図８は図７から求めている。本発明の実施の形態は、図８に示したように、コンデンサ電圧の値に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電力値を調節できるようになっているため、電力回路を最大効率になるように動作できる。
本実施の形態は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電力値をコントロールするため、バッテリ１からＤＣ／ＤＣコンバータ３への電流とバッテリ１の電圧とを検知し、出力目標電流値を制御回路８内で設定され、検知された電流値と目標電流値との比較により、スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ３２のゲート電圧信号のデューティー比を調節している。
第２のエネルギー蓄積源としてコンデンサ群を用いた形態について述べてきたが、このコンデンサ群をバッテリに置き換えても同様の効果が得られることは言うまでもない。（バッテリも放電を繰り返すと出力電圧が低下する。）
なお、上記の説明においては、上述のある条件において本発明の効果を説明したが、この場合に限らず、バッテリ、コンデンサの内部インピーダンス、ＤＣ／ＤＣコンバータの効率が変化したら、アイドルストップ条件のコンデンサ閾値電圧（４Ｖ）、コンデンサ電圧に対応したＤＣ／ＤＣコンバータ出力条件は変化することは言うまでもない。
また、アイドルストップ後のモータ再始動での動作（４ｋＷを０．３ｓｅｃ間出力）として説明したが、モータ再始動後のトルクアシスト（１ｓｅｃ程度）を行う場合においても、コンデンサエネルギーの放出により、経時的に降下するコンデンサ電圧降下に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ出力を制御することで、同様の効果が得られる。トルクアシストとは、エンジンを用いて車両を動作させる時に、モータも同時に動作させることである。
以上のように、本実施の形態においては、バッテリ１とコンデンサ群２を互いに直列に接続した直列接続電源と、バッテリ１およびコンデンサ群２間、および、バッテリ１と電気負荷間で、電力を移行させるためのＤＣ／ＤＣコンバータ３を備え、直列接続電源のうち高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源であるコンデンサ群２の電圧Ｖｃを検知し、検知した電圧Ｖｃが所定値（第１の閾値電圧、ここでは４Ｖとした。）より小さい場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の昇圧動作によりコンデンサ群２の電圧を閾値電圧（第１の閾値電圧）以上に充電するようにしたので、常時、バッテリ用電力回路が十分な電力を出力できるようになる。
また、直列接続電源のうち高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源であるコンデンサ群２の電圧を検知し、検知した電圧が所定値（第１の閾値電圧）より小さい場合は、エンジン停止動作を行わずに、エンジン１０の回転数をアイドル回転に維持するようにしたので、電動機９によるエンジン始動動作不能といったことを無くすことができる。
また、直列接続電源のうち高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源であるコンデンサ群２の電圧を検知し、検知した電圧が所定値（第１の閾値電圧）より小さい場合は、エンジン回転を維持し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の昇圧動作によりコンデンサ電圧を閾値電圧（第１の閾値電圧）以上に充電した後、エンジンを停止するようにしたことにより、連続して停止／始動動作（アイドルストップ動作）を行った場合でも、始動時の電動機９への供給電力が十分となり、電動機９により所定のエンジン回転数まで上げることができ、始動時低回転域でのガソリン点火による有害排気物量の増加といったことが無くなる。また、電動機９によるエンジン始動動作不能といったことが無くなる。
また、第１のエネルギー蓄積源であるバッテリ１の電圧と、第２のエネルギー蓄積源であるコンデンサ群２の電圧を検知し、低電圧側に配置されたエネルギー蓄積源であるバッテリ１の電圧値に応じて、エンジン再始動可否の基準となるコンデンサ群２の閾値電圧（第１の閾値電圧）を調整し、バッテリ１のＳＯＣが高い（バッテリ電圧が高い）時にはコンデンサの閾値電圧を低くし、バッテリ１のＳＯＣが低い（バッテリ電圧が低い）時にはコンデンサ群２の閾値電圧を高くするようにしたので、アイドルストップによるエンジン再始動を確実に行う事ができる。
また、アイドルストップ状態（モータ停止状態）からモータによってエンジンを始動動作させる時、直列接続電源のうち、高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源であるコンデンサ群２の電圧を検知し、検知したコンデンサ電圧によってＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電力を変化させたことにより、バッテリ電力回路システム全体を最大効率で動作させることが可能となり、システム全体の発熱量を最小限にでき、特に、発熱による温度上昇によるコンデンサ群２の寿命劣化、そして、加熱といった他の機器への影響が小さくすることができる。
実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態に係るバッテリ用電力回路の動作の流れを示す流れ図である。なお、本実施の形態に係るバッテリ用電力回路の構成は図１と同様であるため、ここでは、図１を参照することとして、詳細な説明は省略する。
図９に示すように、本実施の形態においては、まず、ステップＳ１０で、エンジン始動指令があると、ステップＳ１１で、バッテリ１の端子電圧Ｖが第２の閾値電圧Ｖ_ＴＨ２（例えば、８．０Ｖ）より大きいか否かを判定し、大きかった場合には、ステップＳ１２に進み、上述の実施の形態１で説明した最大効率制御を行って、ステップＳ１５で、エンジンを始動する。このとき、最大効率制御を行いながら、所定の時間間隔でステップＳ１１のバッテリ１の端子電圧Ｖの判定を行う。一方、ステップＳ１１でバッテリ１の端子電圧Ｖが第２の閾値電圧Ｖ_ＴＨ２（例えば、８．０Ｖ）以下であると判定された場合には、ステップＳ１３で、バッテリ電流最小制御に切り換え、ステップＳ１４で、車両を停止しエンジンを停止する判断条件となるコンデンサ群２の第１の閾値電圧Ｖ（本実施の形態での初期値は４Ｖ）を上昇させて、ステップＳ１５で、エンジンを始動する。
なお、ここで、上述の説明においては、ステップＳ１３とステップＳ１４とを続けて行う例について説明したが、その場合に限らず、ステップＳ１４の処理を行うための条件判断をステップＳ１４の前に行うようにしてもよい。すなわち、コンデンサ閾値電圧を上昇させるための条件として、バッテリ１の端子電圧Ｖが第３の閾値電圧（例えば、８．０Ｖ）より大きい場合に行うということを設定しておいてもよい。
なお、実施の形態１においても述べたが、図１には記載していないが、バッテリ１とコンデンサ群２には内部抵抗が存在し、バッテリ１やコンデンサ群２に大電流が流れると、その内部抵抗によって電圧降下または電圧上昇が発生する。バッテリ１には車載機器等の電気負荷（図示省略、特許文献１参照）が接続されており、バッテリ１の端子間電圧が極端に低下すると電気負荷に悪影響を及ぼす可能性がある。一般的に使用されている１２Ｖバッテリ（充電電圧は１４Ｖ）に接続される電気負荷は、バッテリ電圧が８Ｖ以上で動作保証をしている製品が多い。また、今後普及するとされている３６Ｖバッテリ（充電電圧は４２Ｖ）を使用するシステムでは、バッテリ端子間電圧の最低電圧を２１Ｖ〜２５Ｖ、最高電圧を５１〜５５Ｖの範囲内に抑えるという規格が決まりつつある。このように、電気負荷がバッテリ１に接続される場合、バッテリ１の端子間電圧がある基準電圧値（公称電圧値の約３分の２程度）以下にならないように、バッテリ電流を制限する必要がある。
本実施の形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電力によってバッテリ電圧が変化するので、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電力とバッテリ電圧との関係を求める。本発明によるバッテリ用電力回路の出力経路は、バッテリ１からＤＣ／ＤＣコンバータ３を介して出力する経路（以下、出力Ｐ_１と称す）と、バッテリ１からコンデンサ群２を介して出力する経路（以下、出力Ｐ_２と称す）の２経路が存在し、出力Ｐ_１と出力Ｐ_２の合計電力Ｐ_１＋Ｐ_２が、電力変換回路４に入力される電力となる。電動機９が発電し、バッテリ１やコンデンサ群２に充電される場合は、出力Ｐ_１と出力Ｐ_２が負の値になると考えればよい。
次に、図２の計算モデルを用いて、出力Ｐ_１とＰ_２と、その時のバッテリ１の出力電圧（ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧）Ｖ_ｉｎを計算する。バッテリ１の無負荷端子間電圧をＶ、コンデンサ群２の無負荷端子間電圧をΔＶ、バッテリ１の内部抵抗をＲ、コンデンサ群２の内部抵抗をｒ、バッテリ１を流れる電流をＩ_Ｂ、コンデンサ群２を流れる電流をＩ_２、ＤＣ／ＤＣコンバータ３への入力電流をＩ_１、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の電力変換効率をηとすると、Ｐ_１、Ｐ_２は以下の式で表される。
Ｐ_１＝（Ｖ_ｉｎ＋ΔＶ−ｒ×Ｉ_２）×Ｉ_２
Ｐ_２＝Ｖ_ｉｎ×Ｉ_１×η
Ｖ_ｉｎ＝Ｖ−Ｒ×Ｉ_Ｂ
Ｉ_Ｂ＝Ｉ_１＋Ｉ_２
上式より、バッテリ用電力回路の出力電力がＰの時に、バッテリ１を流れる電流Ｉ_Ｂは、次式で表される。

これより、バッテリ用電力回路の出力電力Ｐが一定であっても、バッテリ電流はＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力電流Ｉ_１と、コンデンサ群２の無負荷端子間電圧ΔＶに依存する事が分かる。
一例として、バッテリ１の無負荷端子間電圧Ｖを１２Ｖ、コンデンサ群２の無負荷端子間電圧ΔＶを６Ｖ、バッテリ１の内部抵抗Ｒを９．６ｍΩ（劣化等によって８ｍΩから２０％増加した値とした）、コンデンサ群２の内部抵抗ｒを１０．７ｍΩとし、バッテリ用電力回路が４ｋＷを出力する時の、ＤＣ／ＤＣコンバータ３出力とバッテリ端子電圧との関係を図１０に示す。図中には、実施の形態１で述べた最大効率運転ポイントと、本実施の形態で述べたバッテリ電流最小ポイントを示している。
図１０より、最大効率運転ポイントでのＤＣ／ＤＣコンバータ出力は１５００Ｗ、バッテリ電圧は７．９Ｖであるのに対し、バッテリ電流最小ポイントでのバッテリ電圧は８．３Ｖとなり、バッテリ電圧が約５％上昇する事が分かる。このように、バッテリ電圧を検知し、バッテリ電圧が予め設定された第２の閾値電圧（例えば８．０Ｖ）以下になった場合には、最大効率制御からバッテリ電流最小制御に切り換える（図９のステップＳ１１，Ｓ１３）事で、バッテリの出力電圧低下を抑制する事が可能となる事が分かる。
また、バッテリ電流最小制御に切り替わった場合には、車両を停止しエンジン１０を停止する判断条件となるコンデンサ群２の第１の閾値電圧（本実施の形態での初期値は４Ｖ）を上昇させる（図９のステップＳ１４）。コンデンサ群２の第１の閾値電圧は、検知されたバッテリ電圧に応じて再設定される。これにより、次回の車両停止時では、エンジン停止条件であるコンデンサ群２の第１の閾値電圧は４Ｖ＋α（α＞０）となり、バッテリ１の出力電圧低下を防止する事ができる。
このような制御を行う事で、バッテリ１やコンデンサ群２の劣化等によってバッテリ１やコンデンサ群２の内部抵抗が上昇し、バッテリ能力やコンデンサ能力が低下した場合でも、所定電力出力時のバッテリ１の出力電圧低下を抑制できるため、バッテリ１に接続された他の車載機器への悪影響を及ぼすことなく、確実にエンジン１０の始動動作を行う事ができる。
なお、本実施の形態では、最大効率制御からバッテリ電流最小制御に切り替わるための条件（第２の閾値電圧）と、コンデンサ閾値電圧を上昇させるための条件（第３の閾値電圧）とを８．０Ｖという同じ値としているが、これに限らず、第２の閾値電圧と第３の閾値電圧を異なる値にしても同様の効果が得られるのは言うまでもない。
以上のように、本実施の形態においては、上述の実施の形態１と同様に、バッテリ１とコンデンサ群２を互いに直列に接続した直列接続電源と、バッテリ１およびコンデンサ群２間、および、バッテリ１と電気負荷間で、電力を移行させるためのＤＣ／ＤＣコンバータ３を備え、直列接続電源のうち高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源であるコンデンサ群２の電圧Ｖｃを検知し、検知した電圧Ｖｃが所定値（第１の閾値電圧、ここでは４Ｖとした。）より小さい場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の昇圧動作によりコンデンサ群２の電圧を閾値電圧（第１の閾値電圧）以上に充電するようにしたので、常時、バッテリ用電力回路が十分な電力を出力できるようになる。
また、実施の形態１と同様に、直列接続電源のうち高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源であるコンデンサ群２の電圧を検知し、検知した電圧が所定値（第１の閾値電圧）より小さい場合は、エンジン停止動作を行わずに、エンジン１０の回転数をアイドル回転に維持するようにしたので、電動機９によるエンジン始動動作不能といったことを無くすことができる。
また、実施の形態１と同様に、直列接続電源のうち高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源であるコンデンサ群２の電圧を検知し、検知した電圧が所定値（第１の閾値電圧）より小さい場合は、エンジン回転を維持し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の昇圧動作によりコンデンサ電圧を閾値電圧（第１の閾値電圧）以上に充電した後、エンジンを停止するようにしたことにより、連続して停止／始動動作（アイドルストップ動作）を行った場合でも、始動時の電動機９への供給電力が十分となり、電動機９により所定のエンジン回転数まで上げることができ、始動時低回転域でのガソリン点火による有害排気物量の増加といったことが無くなる。また、電動機９によるエンジン始動動作不能といったことが無くなる。
さらに、本実施の形態においては、第１のエネルギー蓄積源であるバッテリ１の電圧値を検知し、エンジン１０の再始動時等の大電力出力時にバッテリ電圧があらかじめ設定された基準電圧値（第２の閾値電圧）よりも低下した場合に、バッテリ電流が最小となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御するようにしたので、バッテリ１の内部抵抗による電圧ドロップを抑制し、バッテリ１に接続された他の車載機器への悪影響をなくす事ができる。
また、第１のエネルギー蓄積源であるバッテリ１の電圧値を検知し、バッテリ電圧があらかじめ設定された閾値電圧値（第３の閾値電圧）よりも低下した場合、第１の閾値電圧を上昇させて次回からのアイドルストップ条件に反映させるようにしたので、モータ始動時のバッテリ電圧低下を抑制する事ができ、バッテリ１に接続された他の車載機器への悪影響をなくす事ができる。
実施の形態３．
図１１は、この発明の実施の形態３に係るバッテリ用電力回路の構成を示す回路図である。図１２は、図１１の制御装置の詳細なブロック図である。図１３および図１４は、図１１における回生制御のフローチャートである。図１５は、図１１のバッテリ用電力回路の充電する様子を示す図である。
図１１に示すように、バッテリ用電力回路は、第１のエネルギー蓄積源としてのバッテリ１と、そのバッテリ１と直列に接続し、許容入力電流がバッテリ１の許容入力電流より大きな第２のエネルギー蓄積源としてのコンデンサ２と、バッテリ１とコンデンサ２との間に挿入したＤＣ／ＤＣコンバータ３と、バッテリ１とコンデンサ２の直列体の両端に接続された電力変換回路４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３と電力変換回路４とを制御する制御装置５とを有している。
バッテリ１は、定格電圧１２Ｖ、等価直列抵抗８ｍΩの鉛酸蓄電池である。バッテリ１は、許容入力電力ＰＢＭＡＸ（Ｗ）の特性を有している。バッテリ１を大電力で急速充電を行うとバッテリが劣化してしまうため、バッテリ１にはバッテリ温度およびＳＯＣ（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）に応じた許容入力電力ＰＢＭＡＸを設定している。バッテリ１の電圧は大幅には変化しないので、許容入力電力ＰＢＭＡＸの替わりに、許容入力電流ＩＢＭＡＸを設定している。鉛酸蓄電池の許容入力電力ＰＢＭＡＸは、重量当たり１００Ｗ／ｋｇ位である。
コンデンサ２は、静電容量の大きな電気二重層コンデンサまたはアルミ電解コンデンサ等である。コンデンサ２の許容入力電力ＰＣＭＡＸ（Ｗ）は、鉛酸蓄電池に比べて大きく、重量当たり１０００Ｗ／ｋｇ位である。この実施の形態３においては、コンデンサ２として、許容印加電圧（ＶＣＭＡＸ）２．５Ｖ、等価直列抵抗（ｒ）８ｍΩ、静電容量（Ｃ）１００Ｆの電気二重層コンデンサを３並列１５直列に接続したコンデンサブロックを用いている。コンデンサ２の許容印加電圧は、３７．５Ｖである。
ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、上アームスイッチとしての上アームスイッチング素子６ａ、下アームスイッチとしての下アームスイッチング素子６ｂ、チョークコイルインダクタ７、平滑コンデンサ８を有している。このＤＣ／ＤＣコンバータ３は、双方向の昇降圧直流チョッパ回路を構成し、バッテリ１とコンデンサ２との間で電力を変換する。スイッチング素子６ａ、６ｂは、ＭＯＳＦＥＴで構成している。
このＤＣ／ＤＣコンバータ３は、以下のように制御されて電力変換する。この説明では、バッテリ１からコンデンサ２に向けた電力変換（以下、昇圧モードＤＣ／ＤＣコンバータ作動と称す。）を例に取り上げている。
上アームスイッチング素子６ａをＯＦＦし、下アームスイッチング素子６ｂをＯＮしてバッテリ１から電流をチョークコイルインダクタ７に流す。次に、下アームスイッチング素子６ｂをＯＦＦし、同時に上アームスイッチング素子６ａをＯＮして、チョークコイルインダクタ７に流れた電流を上アームスイッチング素子６ａを介してコンデンサ２の端子間に印加ずる。この操作を繰り返すことにより、バッテリ１の電力をコンデンサ２に供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電流は、上アームスイッチング素子６ａと下アームスイッチング素子６ｂのＯＮ時間の比率を変えることにより変化できる。
コンデンサ２からバッテリ１に向けた電力変換（以下、降圧モードＤＣ／ＤＣコンバータ作動と称す。）は上述の説明の反対の操作を行うことにより行うことができる。
スイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴは、そのゲートＯＮ／ＯＦＦの信号を入力することによりスイッチングする。
電力変換回路４は、バッテリ１およびコンデンサ２の直列体と電動機９との間の電力変換を行っている。電動機９は、エンジン１０に連結した車軸２７に接続されている。始動時にはバッテリ１およびコンデンサ２の電力を電力変換回路４によって交流に変換し、電動機９をモータとして車軸２７を回転する。制動時には、発電機としての電動機９から発電される交流電力を電力変換回路４によって直流に変換し、バッテリ１およびコンデンサ２に充電する。この交流電力は、車軸２７の回転に対して制動力として働く。車軸２７には、車軸２７の回転を制動するブレーキ機構２６を有している。ブレーキ機構２６には、制御装置５からの指令で車軸２７の回転を機械的に制動する図示しない機械ブレーキを有している。
さらに、車両のスピードを減速する制動指令を発する制動指令装置としてのブレーキペダル２８を有し、制動指令は、ブレーキ力ＰＦとして制御装置に入力される。
制御装置５は、図１２に示すようにＤＣ／ＤＣコンバータ制御部１１を有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部１１は、入力電流算出手段１３、回生可能電力算出手段１４、許容入力電流算出手段１５、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段１６、機械ブレーキ制御手段１８を有している。制御装置５は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェス回路を備えたマイクロコンピュータによって構成されている。
バッテリ用電力回路は、図１１に示すようにさらにバッテリ１の端子電圧ＶＢを計測する第１の電圧計としてのバッテリ電圧計２０、コンデンサ２の端子電圧ＶＣを計測する第２の電圧計としてのコンデンサ電圧計２１、バッテリ１の温度ＴＢを計測する温度計２４、車速Ｓｖを計測する車速センサー２５を有している。
車載機器等の電気負荷２２は、バッテリ１に接続されている。
次に、図１２に示したバッテリ用電力回路の制御装置５の構成に付いて説明する。
入力電流算出手段１３は、車速センサー２５からの車速Ｓｖ（ｋｍ／ｈｒ）とブレーキペダル２８からのブレーキ力ＰＦ（Ｎ）とから回生エネルギーＰＧ（Ｗ）を算出する。回生エネルギーＰＧは、車速Ｓｖの車両を所定のブレーキ力ＰＦで制動するために必要な制動エネルギーを電気量として換算した値である。さらに、バッテリ１の端子電圧ＶＢとコンデンサ２の端子電圧ＶＣと回生エネルギーＰＧとから入力電流Ｉ（Ａ）を求める。
一方、回生可能電力算出手段１４は、バッテリ１の端子電圧ＶＢ（Ｖ）からバッテリ１のＳＯＣ（％）を算出する。バッテリＳＯＣは、バッテリ１の端子電圧ＶＢに対応する値であり、その値はテーブルデータとして回生可能電力算出手段１４に記憶されている。
さらに、バッテリＳＯＣからバッテリ許容入力電力ＰＢＭＡＸ（Ｗ）を算出する。バッテリ温度ＴＢの高いとき、バッテリ許容入力電力ＰＢＭＡＸは小さくなり、また、バッテリＳＯＣの大きいとき、バッテリ許容入力電力ＰＢＭＡＸは小さくなる。
さらに、バッテリ許容入力電力ＰＢＭＡＸから最大回生電力ＰＩＮＶＭＡＸ（０）（Ｗ）を算出する。
さらに、バッテリ許容入力電力ＰＢＭＡＸおよび予め設定したＤＣ／ＤＣコンバータ最大出力ＰＤＭＡＸ（Ｗ）とからＤＣ／ＤＣコンバータ３を最大に動作して電力変換するときの最大回生電力ＰＩＮＶＭＡＸ（１００）（Ｗ）を算出する。
許容入力電流算出手段１５は、バッテリ許容入力電力ＰＢＭＡＸとバッテリ１の端子電圧ＶＢとからバッテリ１の許容入力電流ＩＢＭＡＸ（Ａ）を求める。
ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段１６は、回生エネルギーＰＧが最大回生電力ＰＩＮＶＭＡＸ（０）より大きいとき、回生電力ＰＩＮＶＭＡＸ（０）、バッテリ電圧ＶＢ、コンデンサ電圧ＶＣおよびバッテリ最大電流ＩＢＭＡＸからＤＣ／ＤＣコンバータ操作量ＰＤを算出する。
さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ操作量ＰＤから昇降圧比ｎを求める。この際、バッテリ１の電流ＩＢ＊とすると、ＤＣ／ＤＣコンバータ３のバッテリ１からコンデンサ２へ変換した電力ＰＤ（Ｗ）は、ＰＤ＝ＶＤ×（ＩＣ−ＩＢ）である。ＶＤ＝ＰＤ／（ＩＣ−ＩＢ）を求め、昇降圧比ｎ＝ＶＤ／ＶＢを求める。
さらに、昇降圧比ｎになるようにスイッチング手段のオンオフの周期を求め、ＤＣ／ＤＣコンバータを作動する。
このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段１６は、この場合、バッテリ１からコンデンサ２に電力変換する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段１６は、回生エネルギーＰＧが最大回生電力ＰＩＮＶＭＡＸ（０）以下のとき、回生電力ＰＩＮＶＭＡＸ（０）、バッテリ電圧ＶＢ、コンデンサ電圧ＶＣおよびバッテリ最大電流ＩＢＭＡＸからＤＣ／ＤＣコンバータ操作量ＰＤを算出する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段１６は、この場合、コンデンサ２からバッテリ１に電力変換する。
機械ブレーキ制御手段１８は、回生エネルギーＰＧと最大回生電力ＰＩＮＶＭＡＸ（１００）とを比較し、回生エネルギーＰＧが大きいとき、回生エネルギーＰＧと最大回生電力ＰＩＮＶＭＡＸ（１００）との差分ΔＰＡを求め、その差分ΔＰＡを機械ブレーキ操作量ＭＦに変換する。
さらに、この機械ブレーキ操作量ＭＦに基づいて機械ブレーキを作動して車両を制動する。
次に、図１３および図１４を参照してバッテリ用電力回路の回生制御の手順について説明する。
ステップ（以下、Ｓと略す。）１０１で、入力電流算出手段１３は、車速センサー２５の車速Ｓｖ（ｋｍ／Ｈｒ）を入手し、車速Ｓｖがゼロかどうか判断する。車速がゼロのとき車両が停止しているので、回生制御は終了する。車速がゼロでないとき、Ｓ１０２へ進む。
Ｓ１０２で、入力電流算出手段１３は、ブレーキペダル２８からブレーキ力ＰＦ（Ｎ）を入手し、制動指令が発せられているかどうか判断する。ブレーキ力がゼロのとき、制動を掛けようとしていないために、回生エネルギーは発生しないので、回生制御は終了する。制動指令は発せられているときは、Ｓ１０３へ進む。
Ｓ１０３で、入力電流算出手段１３は、車速Ｓｖとブレーキ力ＰＦとから回生エネルギーＰＧ（Ｗ）を算出する。この回生エネルギーＰＧ、バッテリ端子電圧ＶＢ（Ｖ）、コンデンサ端子電圧ＶＣ（Ｖ）から入力電流Ｉ（Ａ）を求める。
Ｓ１０４で、許容入力電流算出手段１５は、バッテリ端子電圧ＶＢ（Ｖ）から、バッテリのＳＯＣ（％）を算出する。
Ｓ１０５で、許容入力電流算出手段１５は、バッテリ温度ＴＢ（℃）とバッテリのＳＯＣとから、バッテリ許容入力電力ＰＢＭＡＸ（Ｗ）を算出する。バッテリ許容入力電力ＰＢＭＡＸとバッテリ端子電圧ＶＢとから、バッテリ許容入力電流ＩＢＭＡＸ（Ａ）を算出する。
Ｓ１０６で、回生可能電力算出手段１４は、入力電流Ｉとバッテリ許容入力電流ＩＢＭＡＸとを比較する。入力電流Ｉが許容入力電流ＩＢＭＡＸより大きいときは、Ｓ１０７へ進む。入力電流Ｉが許容入力電流ＩＢＭＡＸ以下のときは、回生制御は終了する。
Ｓ１０７で、回生可能電力算出手段１４は、バッテリ許容入力電流ＩＢＭＡＸとコンデンサ端子電圧ＶＣとから、コンデンサ入力電力ＰＣ（ＩＢＭＡＸ）を求める。バッテリ許容入力電力ＰＢＭＡＸとコンデンサ入力電力ＰＣ（ＩＢＭＡＸ）とから、ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動しないときの最大回生電力ＰＩＮＶＭＡＸ（０）を算出する。
Ｓ１０８で、回生可能電力算出手段１４は、バッテリ許容入力電力ＰＢＭＡＸとあらかじめ設定したＤＣ／ＤＣコンバータの最大駆動電力ＰＤＭＡＸとバッテリの端子電圧ＶＢとコンデンサの端子電圧ＶＣとから、補強最大回生電力ＰＩＮＶＭＡＸ（１００）を数１から求める。

Ｓ１０９で、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段１６は、回生エネルギーＰＧと補強最大回生電力ＰＩＮＶＭＡＸ（１００）とを比較する。回生エネルギーＰＧが補強最大回生電力ＰＩＮＶＭＡＸ（１００）より大きいとき、Ｓ１１０へ進む。回生エネルギーＰＧが補強最大回生電力ＰＩＮＶＭＡＸ（１００）以下のとき、Ｓ１１３へ進む。
Ｓ１１０で、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段１６は、補強最大回生電力ＰＩＮＶＭＡＸ（１００）を回生操作量ＰＩＮＶと設定する。同時に、機械ブレーキ制御手段１８は、回生エネルギーＰＧと補強最大回生電力ＰＩＮＶＭＡＸ（１００）との差分ΔＰＡを求める。
Ｓ１１１で、機械ブレーキ制御手段１８は、差分ΔＰＡから、機械ブレーキ操作量ＭＦを求める。
Ｓ１１２で、機械ブレーキ制御手段１８は、機械ブレーキ操作量ＭＦに基づいてブレーキ機構２６を作動して、車両にブレーキ制動を加え、Ｓ１１４へ進む。
Ｓ１１３で、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段１６は、回生エネルギーＰＧを回生操作量ＰＩＮＶに設定し、Ｓ１１４に進む。
Ｓ１１４で、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段１６は、回生操作量ＰＩＮＶとバッテリ許容入力電力ＩＢＭＡＸとバッテリの端子電圧ＶＢとコンデンサの端子電圧ＶＣとから数２に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ変換電力ＰＤを求める。

Ｓ１１５で、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段１６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ変換電力ＰＤから、ＤＣ／ＤＣコンバータ出力電圧ＶＯＵＴを求める。
Ｓ１１６で、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段１６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ出力電圧ＶＯＵＴとコンデンサ許容印加電圧ＶＣＭＡＸとを比較する。そのＤＣ／ＤＣコンバータ出力電圧がコンデンサ許容印加電圧ＶＣＭＡＸより低いときはＳ１１７へ進む。また、そのＤＣ／ＤＣコンバータ出力電圧がコンデンサ許容印加電圧ＶＣＭＡＸ以上のときは、Ｓ１１８へ進む。
Ｓ１１７で、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段１６は、コンバータ出力電圧ＶＯＵＴとバッテリ電圧とから昇降圧比ｎを求める。
Ｓ１１８で、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段１６は、コンデンサ許容印加電圧ＶＣＭＡＸとバッテリ電圧ＶＢとから昇降圧比ｎを求める。
Ｓ１１９で、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段１６は、ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動してバッテリからコンデンサに電力を変換して、コンデンサに充電を行う。（この方向のＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換を昇圧モードＤＣ／ＤＣコンバータ作動と称す。）Ｓ１０１へ戻る。
次に、図１５を参照して車両に制動を掛けながら充電する様子を説明する。図１５に示した車両制動力は、例えば、車両がある速度からほぼ一定加速度で減速する時に発生するものである。
区間Ａでは、上述したようにＤＣ／ＤＣコンバータを最大出力で昇圧モード作動させることで、補強回生電力を増加させており、コンデンサの電圧上昇に応じて回生電力は増加する。この時、バッテリ用電力回路で回生しきれない分は機械ブレーキによって消費する。
区間Ｂでは、補強回生電力が車両制動による回生エネルギーよりも大きくなると、機械ブレーキは動作せず、車両制動力は全て電動機の発電電力に変換され、全ての運動エネルギーを回生する事が可能となる。この時、ＤＣ／ＤＣコンバータは、バッテリへの充電電力が許容入力電力ＰＢＭＡＸとなるように出力制御される。
区間Ｃでは、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力はゼロとなる。バッテリやコンデンサへの充電電力は、バッテリとコンデンサの電圧比に応じて変化する。
このようなバッテリ用電力回路を用いた回生電力の増加について図１６を参照して説明する。図１６は、バッテリ１の許容入力電力ＰＢＭＡＸを１ｋＷとした時に、コンデンサ電圧ＶＣとバッテリ用電力回路の最大回生電力ＰＩＮＶとの関係を示す。
例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を１ｋＷで動作させた場合の回生電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を動作させない時に比べ、コンデンサ電圧ＶＣがバッテリ電圧ＶＢと等しいとき１．５倍、コンデンサ電圧Ｖｃがバッテリ電圧ＶＢの３倍のとき１．７５倍になる。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を２ｋＷで動作させた場合の回生電力は、コンデンサ電圧ＶＣがバッテリ電圧ＶＢと等しいとき２倍、コンデンサ電圧Ｖｃがバッテリ電圧ＶＢの３倍のとき２．５倍になる。
このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ出力を大きくするほど、バッテリ用電力回路の回生電力は上昇する。これより、エネルギー回生時にバッテリからコンデンサにＤＣ／ＤＣコンバータ３を介して電力を変換することにより、バッテリ用電力回路の回生電力は大きくなる。
図１７は、比較的短時間で大きな車両制動力が要求された時に、バッテリ用電力回路に回生する回生電力を示す。ＤＣ／ＤＣコンバータ３を動作させない場合のコンデンサの充電電流は、バッテリの許容充電電流によって決まっているため、コンデンサへの充電電力を上げる事ができず、バッテリ用電力回路に回生できるエネルギー量がそれほど大きくならない。これに対して、バッテリ１からコンデンサ２にＤＣ／ＤＣコンバータ３を介して電力を変換すると、コンデンサ２への充電電力が増加するため、バッテリ用電力回路への回生電力を上げる事が可能となる。時間と共にコンデンサ充電電力が増加するのは、コンデンサが充電されると電圧が上昇するので、それに応じてコンデンサへの許容入力電力が増加するためである。
この発明のバッテリ用電力回路は、自動車の制動時に入力電力密度がバッテリより大きなコンデンサにバッテリからＤＣ／ＤＣコンバータを介して電力を変換するので、バッテリおよびコンデンサの充電電力を増加することができる。
さらに、バッテリの許容入力電力以下で充電するので、バッテリの過電力での充電を防止し、バッテリの寿命を延ばすことができる。
さらに、コンデンサの許容印加電圧以下の条件で充電するので、過電圧によるコンデンサの劣化を防止し、コンデンサの寿命を延ばすことができる。
バッテリ用電力回路は、第１のエネルギー蓄積源の許容入力電力と第２のエネルギー蓄積源の許容入力電力とを加算した電力以下に電動機の発電電力を制御するので、車両減速時の制動エネルギーを効率よく回生し、車両の燃費を向上することができる。
なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の構成については、図１１に示したものの他に、種々の方式を考えられるが、基本的にバッテリ１とコンデンサ２間の電力伝送を行うものであれば、どの方式でもよい。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３のスイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴを使用しているが、ＩＧＢＴまたはバイポーラトランジスタ等の半導体素子を用いるようにしても構わない。
なお、実施の形態３では、電気二重層コンデンサを第２のエネルギー蓄積源として用いたが、アルミ電解コンデンサでも同様な効果が得られる。
また、第１のエネルギー蓄積源として鉛酸蓄電池を用いたときは、第２のエネルギー蓄積源として許容入力電力の大きなバッテリを用いても同様に回生電力を増加することができる。例えば、ニッケルカドミウムバッテリ、ニッケル水素バッテリまたはリチウムイオンバッテリを用いてもよい。
実施の形態４．
図１８および図１９は、この発明の実施の形態４に係わるバッテリ用電力回路の回生制御のフローチャートである。この実施の形態４のバッテリ用電力回路の構成は、図１１および図１２と同様である。図１８および図１９のフローチャートは、図１３および図１４のフローチャートに新たなステップＳ２０１〜Ｓ２０３を追加したものであり、その他は同様である。
Ｓ１０６で入力電流Ｉがバッテリ許容入力電流ＩＢＭＡＸより大きいとき、Ｓ１０７へ進む。一方、入力電流Ｉがバッテリ許容入力電流ＩＢＭＡＸ以下のとき、Ｓ２０１へ進む。
Ｓ２０１で、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段１６は、Ｓ１０７と同様に最大回生電力ＰＩＮＶＭＡＸ（０）を求める。
Ｓ２０２で、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段１６は、最大回生電力ＰＩＮＶＭＡＸ（０）と回生エネルギーＰＧとの差分ΔＰＢを求める。
Ｓ２０３で、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段１６は、差分ΔＰＢに基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動してコンデンサからバッテリに電力変換して、バッテリに充電する。（この方向のＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換を降圧モードＤＣ／ＤＣコンバータ作動と称す。）
次に、図２０を参照して車両に制動を掛けながら充電する様子を説明する。図２０に示した車両制動力は、例えば、車両がある速度からほぼ一定加速度で減速する時に発生するものである。
区間ＡとＢは図１５と同様である。区間Ｃにおいて、バッテリへの入力電流が許容入力電力ＩＢＭＡＸとなるように、コンデンサからバッテリにＤＣ／ＤＣコンバータを降圧モード作動して電力変換する。区間Ｄでは、コンデンサに蓄えられるエネルギーは増加しない。すなわち、図１５と比較すると、ΔＥ_Ｃだけコンデンサに蓄えられるエネルギーは少ない。
この降圧モード作動により、ＤＣ／ＤＣコンバータを降圧モード作動させない図１５と比べ、バッテリ用電力回路への回生エネルギー量は同じであるにも係わらず、コンデンサへの充電エネルギー量を低減する事が可能となる。その結果、コンデンサ容量を低減する事ができ、低コスト化が可能となる。
この発明のバッテリ用電力回路は、バッテリへの入力電力が許容入力電力以下となると、ＤＣ／ＤＣコンバータを介してコンデンサからバッテリへ電力を伝送するので、小さな容量のコンデンサを使用することができる。
実施の形態５．
図２１および図２２は、この発明の実施の形態５に係わるバッテリ用電力回路の回生制御のフローチャートである。この実施の形態５のバッテリ用電力回路の構成は、図１１および図１２と同様である。図２１および図２２のフローチャートは図１８および図１９のフローチャートと一部分異なっているがその他は同様である。Ｓ３０１〜Ｓ３０４およびＳ３０７〜Ｓ３２２は図１８および図１９のＳ１０１〜Ｓ１０４およびＳ１０７〜Ｓ１１９、Ｓ２０１〜Ｓ２０３と同様である。異なっているステップは、Ｓ３０５とＳ３０６である。
Ｓ３０５では、入力電流算出手段１バッテリ温度ＴＢ（℃）とバッテリのＳＯＣとから、バッテリ許容入力電力ＰＢＭＡＸ（Ｗ）を算出する。そのバッテリ許容入力電力ＰＢＭＡＸに所定値を求めるための係数ｍ（例えば、ｍは０．５）を掛けて所定値としてバッテリ許容入力電力ＰＢＭＡＸ（ｍ）を求める。さらに、このバッテリ許容入力電力ＰＢＭＡＸ（ｍ）とバッテリ端子電圧ＶＢとからバッテリ許容入力電流ＩＢＭＡＸ（ｍ）を求める。バッテリ許容入力電流ＰＢＭＡＸ（ｍ）は、実施の形態３のバッテリ許容入力電力ＰＢＭＡＸと同様にＳ３０７以降に用いられる。
また、Ｓ３０６で、入力電流Ｉとバッテリ許容入力電流ＩＢＭＡＸ（ｍ）とを比較する。入力電流Ｉが許容入力電流ＩＢＭＡＸ（ｍ）より大きいときは、Ｓ３０７へ進む。入力電流Ｉが許容入力電流ＩＢＭＡＸ（ｍ）以下のときは、Ｓ３２０へ進む。
このようなバッテリ用電力回路は、バッテリ許容入力電力より小さな所定値に調整されているので、入力電力に余裕がある。瞬時的な回生電力が入力されても、余裕があるので瞬時的に大きな電力が入力されての充電することができる。また、寿命の劣化の少ない電力に所定値を合わせてあるので、第１のエネルギー蓄積源の劣化はすくない。
なお、実施の形態５では所定値を求めるための係数として０．５を設定しているが、０．３から０．８の間の値であれば同様な効果が得られる。
実施の形態６．
図２３および図２４は、この発明の実施の形態６に係わるバッテリ用電力回路の回生制御のフローチャートである。この実施の形態６のバッテリ用電力回路の構成は、図１１および図１２と同様である。図２３および図２４のフローチャートは、図１８および図１９のフローチャートに新たなステップを追加したものであり、その他は同様である。
図１８および図１９のフローチャートでは、車速Ｓｖがゼロまたはブレーキ力ＰＦがゼロのとき回生制御を終了している。一方、図２３および図２４では、Ｓ１０１で車速ＳＶがゼロのとき、またはＳ１０２でブレーキ力ＰＦがゼロのとき、Ｓ４０１に進む。Ｓ４０１で、バッテリ端子電圧ＶＢ（Ｖ）からバッテリのＳＯＣ（％）を求める。Ｓ４０２で、バッテリのＳＯＣがあらかじめ設定された閾値１０％以下かどうか判断し、１０％以下のときＳ４０３へ進む。バッテリのＳＯＣが１０％を超えているときは、回生制御を終了する。Ｓ４０３で、ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動してコンデンサからバッテリに電力変換して、バッテリに充電する。（この方向にＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換を降りＤＣ／ＤＣコンバータ作動と称す。）
このようなバッテリ用電力回路は、バッテリのＳＯＣがあらかじめ設定された閾値、すなわち許容ＳＯＣの下限値付近に達した場合、コンデンサからバッテリに充電するので、バッテリのＳＯＣが極端に低下して過放電状態を継続することがなく、バッテリの寿命は長くなる。
なお、実施の形態６ではＳＯＣを閾値１０％以下になったとき、コンデンサからバッテリに充電しているが、閾値としては５％から２０％位を設定しても同様な効果が得られる。

以上のように、本発明にかかるバッテリ用電力回路は、内燃機関と電動機とを合わせもったハイブリッド自動車などに利用可能であり、制動エネルギーを電気ブレーキでより多く回生し、エネルギー蓄積源に蓄えられるので、燃費が向上する。

Claims

第１のエネルギー蓄積源と、
上記第１のエネルギー蓄積源に直列に接続された第２のエネルギー蓄積源と、
上記第１のエネルギー蓄積源と上記第２のエネルギー蓄積源との間で電力を変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御手段と
を備えたバッテリ用電力回路であって、
上記制御手段は、
上記直列接続電源の第１および第２のエネルギー蓄積源のうち、高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源の電圧を検知し、
検知した電圧が所定の第１の閾値電圧より小さい場合は上記ＤＣ／ＤＣコンバータにより、上記高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源への充電を行うとともに、
上記第１のエネルギー蓄積源の電圧と、上記第２のエネルギー蓄積源の電圧とを検知し、それらのうち低電圧側に配置されたエネルギー蓄積源の電圧値の増加に対応して、上記第１の閾値電圧の値を低下させ調整する
ことを特徴とするバッテリ用電力回路。
第１のエネルギー蓄積源と、
上記第１のエネルギー蓄積源に直列に接続された第２のエネルギー蓄積源と、
上記第１のエネルギー蓄積源と上記第２のエネルギー蓄積源との間で電力を変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御手段と
を備え、電力変換回路を介して電動機に接続されるバッテリ用電力回路であって、
上記制御手段は、
停止状態の電動機を始動するときに、
上記直列接続電源の第１および第２のエネルギー蓄積源のうち、高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源の電圧を検知し、
検知した電圧値に応じて上記ＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換効率が最大となるように検知した電圧値の増加に応じて上記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力を低下させるように調節する
ことを特徴とするバッテリ用電力回路。
上記制御手段は、上記直列接続電源の第１および第２のエネルギー蓄積源のうち、低電圧側に配置されたエネルギー蓄積源の電圧を検知し、上記電圧値が予め設定された所定の第２の閾値電圧以下である場合に、上記低電圧側に配置されたエネルギー蓄積源の電流が最小となるように上記ＤＣ／ＤＣコンバータ出力を制御することを特徴とする請求項２に記載のバッテリ用電力回路。
上記制御手段は、上記低電圧側に配置されたエネルギー蓄積源の電圧値を検知し、上記電圧値が所定の第３の閾値電圧以下である場合に、上記第１の閾値電圧の値を上昇させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のバッテリ用電力回路。
第１のエネルギー蓄積源と、
上記第１のエネルギー蓄積源に直列に接続し、上記第１のエネルギー蓄積源より許容入力電流の大きな第２のエネルギー蓄積源と、
車両の車軸に連結した電動機と上記直列接続された上記第１のエネルギー蓄積源および上記第２のエネルギー蓄積源との間で電力を変換する電力変換回路と、
上記第１のエネルギー蓄積源と上記第２のエネルギー蓄積源との間で電力を変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御手段と、
上記車両の車速を検出する車速センサーと、
上記車両に所望のブレーキ力で制動を掛ける制動指令を発生する制動指令装置と、
上記第１のエネルギー蓄積源の端子電圧を検出する第１の電圧計と
を備えたバッテリ用電力回路であって、
上記制御手段は、
上記電動機の回生電力が上記電力変換回路から上記第１のエネルギー蓄積源と上記第２のエネルギー蓄積源とに充電されるとき、上記第１のエネルギー蓄積源の入力電流が上記第１のエネルギー蓄積源の許容入力電流以下になるように上記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段と、
検出された上記車速と上記ブレーキ力とに基づき、上記電力回生時に上記電動機が発電する回生エネルギーを算出し、上記ＤＣ／ＤＣコンバータで電力変換を行わずに上記回生エネルギーが上記第１のエネルギー蓄積源と上記第２のエネルギー蓄積源とに充電される入力電流を算出する入力電流算出手段と、
上記第１のエネルギー蓄積源の端子電圧に基づいて上記第１のエネルギー蓄積源のＳＯＣを求め、上記ＳＯＣに基づき上記第１のエネルギー蓄積源の許容入力電流を算出する許容入力電流算出手段と
を有し、
上記電動機の回生電力が上記電力変換回路から上記第１のエネルギー蓄積源と上記第２のエネルギー蓄積源とに充電されるとき、上記ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段は、上記入力電流算出手段により得られる入力電流が上記許容入力電流算出手段により得られる許容入力電流より大きい場合、上記第１のエネルギー蓄積源から上記第２のエネルギー蓄積源に電力を変換するように上記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを特徴とするバッテリ用電力回路。
上記電動機の回生電力が上記電力変換回路から上記第１のエネルギー蓄積源と上記第２のエネルギー蓄積源とに充電されるとき、上記ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段は、上記入力電流算出手段により得られる入力電流が上記許容入力電流算出手段により得られる許容入力電流以下の場合、上記第２のエネルギー蓄積源から上記第１のエネルギー蓄積源に電力を変換するように上記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを特徴とする請求項５に記載のバッテリ用電力回路。
第１のエネルギー蓄積源と、
上記第１のエネルギー蓄積源に直列に接続し、上記第１のエネルギー蓄積源より許容入力電流の大きな第２のエネルギー蓄積源と、
車両の車軸に連結した電動機と上記直列接続された上記第１のエネルギー蓄積源および上記第２のエネルギー蓄積源との間で電力を変換する電力変換回路と、
上記第１のエネルギー蓄積源と上記第２のエネルギー蓄積源との間で電力を変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御手段と、
上記車両の車速を検出する車速センサーと、
上記車両に所望のブレーキ力で制動を掛ける制動指令を発生する制動指令装置と、
上記第１のエネルギー蓄積源の端子電圧を検出する第１の電圧計と
を備えたバッテリ用電力回路であって、
上記制御手段は、
上記電動機の回生電力が上記電力変換回路から上記第１のエネルギー蓄積源と上記第２のエネルギー蓄積源とに充電されるとき、上記第１のエネルギー蓄積源の入力電流が上記第１のエネルギー蓄積源の許容入力電流以下になるように上記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段と、
検出された上記車速と上記ブレーキ力とに基づき、上記電力回生時に上記電動機が発電する回生エネルギーを算出し、上記ＤＣ／ＤＣコンバータで電力変換を行わずに上記回生エネルギーが上記第１のエネルギー蓄積源と上記第２のエネルギー蓄積源とに充電される入力電流を算出する入力電流算出手段と
を有し、
上記電動機の回生電力が上記電力変換回路から上記第１のエネルギー蓄積源と上記第２のエネルギー蓄積源とに充電されるとき、上記ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段は、上記入力電流算出手段により得られる入力電流があらかじめ設定した所定値より大きい場合、上記第１のエネルギー蓄積源から上記第２のエネルギー蓄積源に電力を変換するように、上記入力電流算出手段により得られる入力電流があらかじめ設定した所定値以下の場合、上記第２のエネルギー蓄積源から上記第１のエネルギー蓄積源に電力を変換するように上記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを特徴とするバッテリ用電力回路。
上記第２のエネルギー蓄積源の端子電圧を検出する第２の電圧計と、
上記車両の車軸に連結し、上記車軸の回転を機械的に制動するブレーキ機構と、
を有し、
上記制御手段は、
上記第１のエネルギー蓄積源から上記第２のエネルギー蓄積源に上記ＤＣ／ＤＣコンバータで最大に電力変換するとき、上記第１のエネルギー蓄積源の端子電圧と上記第２のエネルギー蓄積源の端子電圧に基づき、上記第１のエネルギー蓄積源と上記第２のエネルギー蓄積源とに回生できる回生可能電力を算出する回生可能電力算出手段と、
上記入力電流算出手段により得られる回生エネルギーが上記回生可能電力より大きいとき、上記回生エネルギーと上記回生可能電力との差分から機械ブレーキ操作量を算出し、上記機械ブレーキ操作量に基づいて上記ブレーキ機構を制御する機械ブレーキ制御手段と
を有することを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載のバッテリ用電力回路。
上記第２のエネルギー蓄積源は、コンデンサからなり、
上記電動機の回生電力が上記電力変換回路から上記第１のエネルギー蓄積源と上記コンデンサとに充電されるとき、上記ＤＣ／ＤＣコンバータ制御手段は、上記コンデンサの許容印加電圧以下になるように上記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを特徴とする請求項８に記載のバッテリ用電力回路。