JP4743161B2

JP4743161B2 - 車両用電源制御装置

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Publication number: JP4743161B2
Application number: JP2007132082A
Authority: JP
Inventors: 稔加藤; 崇千田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-05-17
Filing date: 2007-05-17
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2027-05-17
Also published as: JP2008289288A; US7872362B2; DE102008023510B4; US20080284384A1; DE102008023510A1

Description

本発明は、乗用車、トラック、バス等の自動車に適用して好適な車両用電源制御装置に関する。

従来から、車両に使用される車両用電源制御装置としては、例えば特許文献１に記載されたようなものがある。このような車両用電源制御装置においては、バッテリと、エンジンにより駆動されるオルタネータに加えて、バッテリに並列に接続されるキャパシタと、このキャパシタとバッテリとの間に接続されて、キャパシタとバッテリとの間で双方向に電力の供給が可能なＤＣ／ＤＣコンバータが備えられており、車両が減速している場合に、オルタネータにより回生される電力をＤＣ／ＤＣコンバータによりキャパシタに供給して一時的に蓄えて、車両が加速している場合にはＤＣ／ＤＣコンバータにより一時的に蓄えた電力を放電している。これにより、不必要なエンジンの駆動によるオルタネータの発電量を減らしてエンジンの燃費向上を図っている。
特開平６−２９６３３２号公報

ところがこのような車両用電源制御装置によっては、オルタネータの発電電圧はレギュレータにより一定電圧に制御されており、オルタネータのトルクはバッテリ又はオルタネータにより電力が供給される負荷の消費電力に依存して変動するため、発電効率の高い領域の所望の発電トルクにおいてオルタネータを発電することはできておらず、より効率的にエンジンひいては車両の燃費向上を図ることはできていないという問題があった。

本発明は、上記問題に鑑み、より効率的に車両の燃費向上を図ることができる車両用電源制御装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わる車両用電源制御装置は、
負荷に電力を供給する第一蓄電器と、
エンジンにより駆動されて前記負荷及び前記第一蓄電器に電力を供給する発電機と、前記第一蓄電器と並列に接続される第二蓄電器と、
前記第二蓄電器と前記第一蓄電器との間において双方向に電力を供給する電力変換装置と、
目標発電効率指標を設定する目標発電効率指標設定手段と、
当該目標発電効率指標と前記発電機の発電量と発電効率指標の関係を定めるマップを用いて目標発電量を設定する目標発電量設定手段と、
前記発電機の発電量が前記目標発電量となるように前記電力変換装置の供給電力及び供給方向を制御する制御手段を備えることを特徴とする。

なお、前記電力変換装置とは、例えばＤＣ／ＤＣコンバータであり、フライバック式、フルブリッジ式、チョッパ方式等方式は問わない。また、前記発電効率指標とは、例えば、前記発電機の単位発電量あたりのエンジンの燃料消費量であり、値が小さいほど発電効率は高い。さらに、前記目標発電効率指標とは目標とする前記発電効率指標であって、前記発電機の発電効率の高い領域の発電トルク及び発電量に対応するものである。

ここで、前記車両用電源制御装置において、
前記目標発電効率指標設定手段が、前記第一蓄電器の残存容量に基づいて前記目標発電効率指標を設定することが好ましい。

これによれば、前記目標発電効率指標設定手段が、前記発電機の発電効率を高めることと、前記第一蓄電器が前記負荷に対して安定した電力を供給することが可能な前記残存容量を保持することとを両立させた上で、前記目標発電効率指標を設定することができる。

加えて、前記車両用電源制御装置において、
前記第二蓄電器は、前記第一蓄電器より内部抵抗が小さいことを特徴とすることが好ましい。

これによれば、前記制御手段の制御に基づいて前記電力変換装置により前記第二蓄電器を充電し、前記制御手段の制御に基づいて前記電力変換装置により前記第二蓄電器を放電させる場合において、前記第二蓄電器の充電電力及び放電電力の受入能力を高めることができる。このことにより、前記制御手段が前記発電機の発電量が前記目標発電量となるように前記電力変換装置の供給電力及び供給方向を制御するにあたって、前記目標発電量と前記発電量との制御上の乖離をなるべく小さくして、制御性を高めることができる。

ここで、前記車両用電源制御装置において、
前記制御手段が、前記負荷の消費電力と、前記第一蓄電器の充電電力を加味して前記供給電力を制御することが好ましい。

これによれば、より検出又は推定が容易なパラメータである、前記負荷の消費電力と、前記第一蓄電器の充電電力を用いて、前記制御手段が前記発電機の発電量が前記目標発電量となるように前記電力変換装置の供給電力及び供給方向を制御することができる。

ここで、前記電力変換装置の供給電力は、前記発電機の目標発電量から、前記負荷の消費電力と前記第一蓄電器の充電電力とを減算した値となり、この減算した値が正の値であれば、前記供給方向は前記第一蓄電器から前記第二蓄電器に電力を供給する方向となり、この減算した値が負の値であれば、前記供給方向は前記第二蓄電器から前記第一蓄電器に電力を供給する方向となる。

つまり、前記発電機の前記発電量を前記目標発電量とするにあたり、前記発電量が前記負荷の消費電力と前記第一蓄電器の充電電力に対して余裕がある場合には前記第一蓄電器から前記第二蓄電器に前記電力変換装置により電力を供給し、前記発電量が前記負荷の消費電力と前記第一蓄電器の充電電力に対して不足する場合には前記第二蓄電器から前記第一蓄電器に前記電力変換装置により電力を供給する。

このように、前記制御手段が前記発電機の発電量が前記目標発電量となるように前記電力変換装置の供給電力及び供給方向を制御することにより、前記発電機の発電量を前記目標発電量に保持することができる。このことにより、前記発電機の発電トルクを前記負荷の消費電力に依存させずに一定として、発電効率の高い領域の所望の発電トルクにおいて前記発電機を発電させて、より効率的にエンジンひいては車両の燃費向上を図ることができる。

本発明によれば、より効率的に車両の燃費向上を図ることができる車両用電源制御装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係わる車両用電源制御装置の一実施形態を示す模式図であり、図２は、本発明に係わる車両用電源制御装置の一実施形態に用いるマップを示す模式図である。

本実施例の車両用電源制御装置１は、負荷２（１〜ｎ）に電力を供給するバッテリ３と、図示しないエンジンにより駆動されて負荷２（１〜ｎ）及びバッテリ３に電力を供給するオルタネータ４と、バッテリ３と並列に接続されるバッテリ５と、バッテリ５とバッテリ３との間において双方向に電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータ６と、オルタネータ４及びＤＣ／ＤＣコンバータ６を制御する電源制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit）７と、負荷２を制御する負荷制御ＥＣＵ８と、バッテリ３の電圧を検出する電圧センサ９と、バッテリ３の充放電電流を検出する電流センサ１０と、負荷２（１〜ｎ）の負荷電流を検出する電流センサ１１（１〜ｎ）を備えて構成される。

なお、電源制御ＥＣＵ７と負荷制御ＥＣＵ８とはＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信規格により接続される。また、ｎは任意の自然数である。

バッテリ３は周知の鉛蓄電池により構成される第一蓄電器であり、負荷２（１〜ｎ）に並列に接続されて電力を供給するとともに、図示しないエンジンにより駆動されるオルタネータ４により残存容量（ＳＯＣ：State Of Charge）を制御されるものである。

オルタネータ４はエンジンにより駆動されて負荷２（１〜ｎ）及びバッテリ３に電力を供給する発電機であり、電源制御ＥＣＵ７により、その発電電圧を一定に制御される。より詳細には、オルタネータ４は、ここでは図示しない三相電機子コイルと、三相全波整流器と、界磁コイルと、電源制御ＥＣＵ７の指令に基づきＰＷＭ制御されて、発電電圧の指令値に対応する励磁電流を界磁コイルに流すトランジスタと、トランジスタのオフ時の転流電流を流すために界磁コイルに並列に接続されるフライホイールダイオードとを備えて構成される。

バッテリ５は周知のニッケル水素電池により構成される第二蓄電器であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ６により残存容量（ＳＯＣ：State Of Charge）を制御されるものであって、バッテリ３より内部抵抗が小さいものである。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６は例えばフライバック式のＤＣ／ＤＣコンバータであり、図示しないフライバックトランス、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオード、コンデンサを主たる構成要素として構成される双方向に電力を供給することが可能な電力変換装置であり、ＭＯＳＦＥＴのＰＷＭ制御により、フライバックトランスの一次巻線に流れる電流を制御し、フライバックトランスの二次巻線に巻線比に比例した交流の電圧を発生させ、ダイオードおよびコンデンサにて直流に整流して、バッテリ３からバッテリ５へ電力を供給する又はバッテリ５からバッテリ３へ電力を供給する。

電源制御ＥＣＵ７は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびそれらを相互に接続するデータバスから構成され、ＲＯＭに格納されたプログラムに従い、以下に述べるそれぞれの制御を行う、目標発電効率指標設定手段７ａと、目標発電量設定手段７ｂと、制御手段７ｃとを備える。

負荷制御ＥＣＵ８は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびそれらを相互に接続するデータバスから構成され、ＲＯＭに格納されたプログラムに従い、以下に述べるそれぞれの制御を行うものであって、負荷２（１〜ｎ）にそれぞれ対応する電流センサ１１（１〜ｎ）によりそれぞれの負荷２（１〜ｎ）の電流Ｉ（１〜ｎ）を検出して、電源ＥＣＵ７が電圧センサ９により測定したバッテリ３の電圧Ｖｂを、ＣＡＮを介して取得して、このバッテリ３の電圧Ｖｂと負荷の電流Ｉ（１〜ｎ）により、負荷２（１〜ｎ）の消費電力Ｗ３＝Ｖｂ×ΣＩ（１〜ｎ）を計算する。

電源制御ＥＣＵ７の目標発電効率指標設定手段７ａは、電流センサ１０によりバッテリ３の充放電電流を検出して積算することにより、バッテリ３の残存容量を推定し、図２に示す、推定した残存容量とバッテリ３の残存容量と目標発電効率指標の関係を定めるマップを用いて、目標発電効率指標を設定する。

さらに、電源制御ＥＣＵ７の目標発電量設定手段７ｂは、図３に示すオルタネータ４のエンジン回転数と発電トルクと発電量の関係を示すマップから、エンジン回転数とオルタネータ４の発電量により定まる各発電ポイントでのオルタネータ４の発電トルクを算出し、図４に示すオルタネータ４の発電トルクとエンジンの燃料消費量との関係を示すマップから、各発電ポイントでの発電に要する燃料消費量を算出して、各発電ポイントでの単位発電量あたりの燃料消費量すなわち発電効率指標を算出し、図５に示すようなオルタネータ４の発電量と発電効率指標のマップを作成する。

加えて、電源制御ＥＣＵ７の目標発電量設定手段７ｂは、目標発電効率指標と、図５に示すオルタネータ４の発電量と発電効率指標の関係を定めるマップを用いて目標発電量Ｗ２を設定する。具体的には、目標発電効率指標とオルタネータ４の発電量と発電効率指標の関係を定めるマップの曲線との交点より目標発電量Ｗ２を設定する。さらに、電源制御ＥＣＵ７の制御手段７ｃは、オルタネータ４の発電量が目標発電量Ｗ２となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ６の供給電力Ｗ１及び供給方向を制御する。

この電源制御ＥＣＵ７の制御手段７ｃは負荷制御ＥＣＵ８から負荷２（１〜ｎ）の消費電力Ｗ３を取得し、電圧センサ９により検出したバッテリ３の電圧Ｖｂと、電流センサ１０により検出したバッテリ３の電流Ｉｂから、バッテリ３の充電電力Ｗ４＝Ｖｂ×Ｉｂを計算する。なお、充電電力Ｗ４はバッテリ３が放電している場合には負の値となる。

加えて、電源制御ＥＣＵ７の制御手段７ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の供給電力Ｗ１を、オルタネータ４の目標発電量Ｗ２から、負荷２（１〜ｎ）の消費電力Ｗ３とバッテリ３の充電電力Ｗ４とを減算した値として演算し、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を制御する。

つまり、この減算した値Ｗ１＝Ｗ２−（Ｗ３＋Ｗ４）が正の値であれば、供給方向をバッテリ３からバッテリ５に電力を供給する方向として、この減算した値Ｗ１＝Ｗ２−（Ｗ３＋Ｗ４）が負の値であれば、供給方向をバッテリ５からバッテリ３に電力を供給する方向とする。

以下本実施例の車両用電源制御装置１の制御内容を、フローチャートを用いて説明する。図６は、本発明に係わる車両用電源制御装置の一実施形態の制御内容を示すフローチャートである。

図６のＳ１に示すように、電源制御ＥＣＵ７の目標発電量設定手段７ｂは、図３に示すオルタネータ４のエンジン回転数と発電トルクと発電量の関係を示すマップから、エンジン回転数とオルタネータ４の発電量により定まる各発電ポイントでのオルタネータ４の発電トルクを算出する。

つづいて、Ｓ２において、電源制御ＥＣＵ７の目標発電量設定手段７ｂは、図４に示すオルタネータ４の発電トルクとエンジンの燃料消費量との関係を示すマップから、各発電ポイントでの発電に要する燃料消費量を算出する。さらに、Ｓ３において、各発電ポイントでの単位発電量あたりの燃料消費量すなわち発電効率指標を算出し、図５に示すようなオルタネータ４の発電量と発電効率指標のマップを作成する。

Ｓ４において、電源制御ＥＣＵ７の目標発電効率指標設定手段７ａは、電流センサ１０によりバッテリ３の充放電電流Ｉｂを検出して積算することにより、バッテリ３の残存容量を推定し、図２に示す、推定した残存容量とバッテリ３の残存容量と目標発電効率指標の関係を定めるマップを用いて、目標発電効率指標を設定する。

つづいてＳ５において、電源制御ＥＣＵ７の目標発電量設定手段７ｂは、目標発電効率指標と、図５に示すオルタネータ４の発電量と発電効率指標の関係を定めるマップを用いてオルタネータ４の目標発電量Ｗ２を設定する。さらに、Ｓ６において、電源制御ＥＣＵ７の制御手段７ｃは、オルタネータ４の発電量が目標発電量Ｗ２となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ６の供給電力及び供給方向を算出する。

すなわち、電源制御ＥＣＵ７の制御手段７ｃは負荷制御ＥＣＵ８から負荷２の消費電力Ｗ３を取得し、電圧センサ９により検出したバッテリ３の電圧Ｖｂと、電流センサ１０により検出したバッテリ３の電流Ｉｂから、バッテリ３の充電電力Ｗ４を計算して、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の供給電力Ｗ１を、オルタネータ４の目標発電量Ｗ２から、負荷２（１〜ｎ）の消費電力Ｗ３とバッテリ３の充電電力Ｗ４とを減算した値Ｗ１＝Ｗ２−（Ｗ３＋Ｗ４）として算出する。つづいて、Ｓ７において、電源制御ＥＣＵ７の制御手段７ｃは、この供給電力Ｗ１を用いてＤＣ／ＤＣコンバータ６を制御する。

以上述べた本実施例の車両用電源制御装置１によれば以下のような作用効果を得ることができる。

すなわち、電源制御ＥＣＵ７の目標発電効率指標設定手段７ａが、バッテリ３の残存容量に基づいて目標発電効率指標を設定することにより、オルタネータ４の発電効率を高めるとともに、バッテリ３が負荷２（１〜ｎ）に対して安定した電力を供給することが可能な残存容量を保持して、相反する要求を両立させることができる。

また、バッテリ５を、バッテリ３より内部抵抗が小さいものとすることにより、電源制御ＥＣＵ７の制御手段７ｃの制御に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ６によりバッテリ５を充電し、電源制御ＥＣＵ７の制御手段７ｃの制御に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ６によりバッテリ５を放電させる場合において、バッテリ５の充電電力及び放電電力の受入能力を高めることができる。

これにより、電源制御ＥＣＵ７の制御手段７ｃがオルタネータ４の発電量が目標発電量Ｗ２となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ６の供給電力及び供給方向を制御するにあたって、目標発電量Ｗ２と実際のオルタネータ３の発電量との制御上の乖離をなるべく小さくして、制御性を高めることができる。

さらに、電源制御ＥＣＵ７の制御手段７ｃが、負荷２（１〜ｎ）の消費電力Ｗ３と、バッテリ３の充電電力Ｗ４を加味してＤＣ／ＤＣコンバータ６の供給電力Ｗ１を制御することにより、より検出又は推定が容易なパラメータである、負荷２（１〜ｎ）の消費電力Ｗ３と、バッテリ３の充電電力Ｗ４を用いて、オルタネータ４の発電量が目標発電量Ｗ２となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ６の供給電力及び供給方向を制御することができる。

つまり、オルタネータ４の発電量を目標発電量Ｗ２とするにあたり、発電量が負荷２（１〜ｎ）の消費電力Ｗ３とバッテリ３の充電電力Ｗ４に対して余裕がある場合にはバッテリ３からバッテリ５にＤＣ／ＤＣコンバータ６により電力を供給し、発電量が負荷２（１〜ｎ）の消費電力Ｗ３とバッテリ３の充電電力Ｗ４に対して不足する場合にはバッテリ５からバッテリ３にＤＣ／ＤＣコンバータ６により電力を供給することにより以下のような作用効果が得られる。

すなわち、電源制御ＥＣＵ７の制御手段７ｃがオルタネータ４の発電量が目標発電量Ｗ２となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ６の供給電力及び供給方向を制御することにより、オルタネータ４の発電量を目標発電量Ｗ２に保持することができる。これにより、オルタネータ４の発電トルクを負荷２（１〜ｎ）の消費電力Ｗ３に依存させずに一定として、発電効率の高い領域の所望の発電トルクにおいてオルタネータ４を発電させて、より効率的にエンジンひいては車両の燃費向上を図ることができる。

また、本実施例の車両用電源制御装置１によれば、通常の電源装置に対してＤＣ／ＤＣコンバータ６とバッテリ５を並列に追加することのみにより、発電効率の高い領域の所望の発電トルクにおいてオルタネータ４を発電させて、より効率的にエンジンひいては車両の燃費向上を図ることができるので、実車両で構成するにあたり配線設計をより簡易なものとすることができる。

また、オルタネータ４とバッテリ３との間、バッテリ３と負荷２（１〜ｎ）との間にＤＣ／ＤＣコンバータ６を配置する構成とすることを回避できるので、車両制御上重要な電力供給経路の途中にＤＣ／ＤＣコンバータ６等の半導体素子からなる電力変換装置が介在して、電力供給の確実性が損なわれることを防止することができる。

また、上述した実施例の車両用電源制御装置１においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の供給電力Ｗ１＝Ｗ２−（Ｗ３＋Ｗ４）が正の値であれば、供給方向をバッテリ３からバッテリ５に電力を供給する方向として、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の供給電力Ｗ１＝Ｗ２−（Ｗ３＋Ｗ４）が負の値であれば、供給方向はバッテリ５からバッテリ３に電力を供給する方向としているので、負荷２（１〜ｎ）の消費電力Ｗ３及びバッテリ３の充電電力Ｗ４の値にかかわらず、負荷２（１〜ｎ）に供給される電力を安定させることができるので、ランプ等の灯具に明滅が生じて車両の商品性が損なわれることを防止することができる。

さらに、上述した実施例の車両用電源制御装置１によれば、オルタネータ４の発電電圧を一定とする制御そのものは、通常の電源装置におけるものに対して変更する必要がないので、オルタネータ４及びそれを制御する電源制御ＥＣＵ７の構成をより簡易なものとすることができる。

以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。

例えば、上述した実施例においては、オルタネータ４の発電電圧を一定としたが、車両の減速時や降坂路走行時等においてオルタネータ４により回生可能であって、発電電圧の変動によりランプ等の灯具が明滅して車両の商品性が損なわれない場合に発電電圧を上げ、車両の加速時においてバッテリ３の残存容量に余裕がある場合には発電電圧を下げるいわゆる充電制御を合わせて実施することもできる。

また、上述した実施例においては第二蓄電器として、ニッケル水素電池により構成されるバッテリ５を用いたが、電気二重層キャパシタ等の電池以外の蓄電器を用いることも可能である。

さらに、上述した実施例においては、図５に示したオルタネータ３の発電量と発電効率指標の関係を定めるマップを、図３に示すオルタネータ４のエンジン回転数と発電トルクと発電量の関係を示すマップと、図４に示すオルタネータ４の発電トルクとエンジンの燃料消費量との関係を示すマップから、電源制御ＥＣＵ７の目標発電量設定手段７ｂにより求めているが、予め求めたマップを目標発電量設定手段７ｂが備える構成としても良い。

本発明は、自動車に適用される車両用電源制御装置に関するものであり、比較的軽微な装置の追加および制御内容の変更により、より効率的に車両の燃費向上を図ることができるので、乗用車、トラック、バス等の様々な車両に適用可能なものである。

本発明に係わる車両用電源制御装置の一実施形態を示す模式図である。本発明に係わる車両用電源制御装置の一実施形態に用いるマップを示す模式図である。本発明に係わる車両用電源制御装置の一実施形態に用いるマップを示す模式図である。本発明に係わる車両用電源制御装置の一実施形態に用いるマップを示す模式図である。本発明に係わる車両用電源制御装置の一実施形態に用いるマップを示す模式図である。本発明に係わる車両用電源制御装置の一実施形態の制御内容を示すフローチャートである。

符号の説明

１車両用電源制御装置
２（１〜ｎ）負荷
３バッテリ
４オルタネータ
５バッテリ
６ＤＣ／ＤＣコンバータ
７電源制御ＥＣＵ
７ａ目標発電効率指標設定手段
７ｂ目標発電量設定手段
７ｃ制御手段
８負荷制御ＥＣＵ
９電圧センサ
１０電流センサ
１１電圧センサ
Ｗ１供給電力
Ｗ２目標発電量
Ｗ３消費電力
Ｗ４充電電力

Claims

負荷に電力を供給する第一蓄電器と、エンジンにより駆動されて前記負荷及び前記第一蓄電器に電力を供給する発電機と、前記第一蓄電器と並列に接続される第二蓄電器と、前記第二蓄電器と前記第一蓄電器との間において双方向に電力を供給する電力変換装置と、目標発電効率指標を設定する目標発電効率指標設定手段と、当該目標発電効率指標と前記発電機の発電量と発電効率指標の関係を定めるマップを用いて目標発電量を設定する目標発電量設定手段と、前記発電機の発電量が前記目標発電量となるように前記電力変換装置の供給電力及び供給方向を制御する制御手段を備えることを特徴とする車両用電源制御装置。
前記目標発電効率指標設定手段が、前記第一蓄電器の残存容量に基づいて前記目標発電効率指標を設定することを特徴とする請求項１に記載の車両用電源制御装置。
前記第二蓄電器は、前記第一蓄電器より内部抵抗が小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用電源制御装置。
前記制御手段が、前記負荷の消費電力と、前記第一蓄電器の充電電力を加味して前記供給電力を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両用電源制御装置。