JP5237694B2

JP5237694B2 - 蓄電装置の電圧測定システム

Info

Publication number: JP5237694B2
Application number: JP2008134165A
Authority: JP
Inventors: 陽介青山; 達司宮田
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2008-05-22
Filing date: 2008-05-22
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2028-05-22
Also published as: JP2009281857A

Description

この発明は、蓄電要素を単位セルとして複数の単位セルから構成される蓄電装置の電圧測定システムに関する。

近年、各種の蓄電装置として、急速充電が可能かつ充放電サイクル寿命が長い、電気二重層キャパシタの適用技術が注目される（特許文献１）。

図４は、車両の駆動系にエンジンおよび回転電機（モータジェネレータ）を備えるハイブリッドシステムにおいて、回転電機の電源として車両に搭載される蓄電装置１０の概略構成を表すものである。

蓄電装置１０は、回転電機にインバータを介して接続される。１１はECU（電子制御装置）であり、例えば、蓄電装置１０の蓄電量をパラメータにエンジンの駆動トルクと回転電機の駆動トルクとの分担率を設定する制御マップが格納され、制御マップから蓄電装置１０の蓄電量に応じた各分担率を求め、この分担率およびアクセル操作量（要求駆動トルク）に基づいて、エンジンの出力び回転電機の出力を制御する。

蓄電装置１０の蓄電量が所定値を超える場合、回転電機の分担率＝１（エンジンの分担率＝０）となり、アクセル操作量に相当する要求駆動トルクが回転電機から得られるように回転電機のインバータを制御する。蓄電装置１０の蓄電量が所定値以下の場合、回転電機の分担率＜１（エンジンの分担率＞０）となり、蓄電装置１０の蓄電量の低下に連れて回転電機の分担駆動トルクが小さくなり、それに応じてエンジンの分担駆動トルクが大きくなるようにエンジンの燃料供給装置および回転電機のインバータを制御する。蓄電装置１０の蓄電量の低下により、エンジンの分担率＝１（回転電機の分担率＝０）になると、アクセル操作量に相当する要求駆動トルクがエンジンから得られるようにエンジンの燃料供給装置を制御する。

ECU１１は、ブレーキ操作量（要求制動トルク）に基づいて、蓄電装置１０への充電が許容される限り、要求制動トルクに相当する回生制動トルクが回転電機から得られるように回転電機のインバータを制御する一方、回転電機の回生制動トルクで要求制動トルクを賄い切れない場合、不足分の制動トルクが得られるように車輪のメカニカル制動トルクを制御するようになっている。

蓄電装置１０は、複数の電気二重層キャパシタC11〜Cmn（以下、キャパシタセルと称する）から構成される。複数のキャパシタセルC11〜Cmnは、複数組に分割され、各組毎に所定容量のキャパシタモジュール１〜Ｆを構成する。ECU１１と各キャパシタモジュール１〜Ｆとの間にネットワーク（LAN）が構築され、各キャパシタモジュール１〜ＦからキャパシタセルC11〜Cmnの電圧や温度などの検出情報がネットワーク上へパケットの形で送信される。

ECU１１においては、各キャパシタモジュール１〜Ｆから送信される検出情報に基づいて、蓄電装置１０のキャパシタ状態に異常があるかどうかの判定が行われ、異常が判定されると、蓄電装置１０の放電（回転電機の分担駆動トルク）または充電（回転電機の回生制動トルク）を制限するようになっている。

図５において、１５はECU１１の制御ロジックであり、蓄電装置１０の蓄電量，アクセル操作量またはブレーキ操作量，蓄電装置１０のキャパシタ状態（キャパシタセルの電圧や温度など）に基づいて、回転電機の分担駆動トルクおよびエンジンの分担駆動トルク、または、回転電機の回生制動トルクおよび車輪のメカニカル制動トルク、を既述のように制御する。１７はアクチュエータであり、回転電機のインバータ，エンジンの燃料供給装置，車輪のメカニカルブレーキを含むものである。

蓄電装置１０の蓄電量については、蓄電装置１０のキャパシタ状態が異常かどうかを判定したりするのに各キャパシタセルの電圧が検出されるので、実プラント１６（ハイブリッドシステム）において、直列接続のキャパシタセルC11〜C1n，C31〜C3n，…C(m-1)1〜C(m-1)nの電圧が積算され、この積算値（デジタル測定値）が蓄電装置１０の総電圧（蓄電装置１０の蓄電量に相応する）として制御ロジック１５へ与えられる。図６は、蓄電装置１０の総電圧に関するタイムチャートであり、総電圧の実際値Vrealと、サンプリング周期ごとに得られる積算値Vdigと、の関係を例示する。図６において、ｔ軸（時間軸）の「i＋1」〜「i＋3」は、サンプリング周期を表すものである。積算値Vdigは、実際値Vrealに対し、離散的な電圧値となる。
特開２００３−２８４２０５

このような従来例においては、制御ロジック１５の実行周期がキャパシタモジュール１〜Ｆのパケット送信周期に制約される。この制約は、パケットの送信周期を早めれば、改善されるが、そうすると、ネットワークのトラフィックを圧迫しかねない。また、キャパシタモジュール数や情報量が増えれば、パケット送信周期を遅らせることが必要となり、そうすると、制御ロジック１５の実行周期が遅れ、アクチュエータ１７を応答よく制御しえない、という不具合が考えられる。

この発明は、このような解決すべき課題に対処する有効な手段の提供を目的とする。つまり、蓄電装置状態（キャパシタ状態）を監視しつつ、蓄電装置１０の蓄電量として、サンプリング周期に依存しない、連続的な電圧値を精度よく得られるようにする。

第１の発明は、電気二重層キャパシタを蓄電要素の単位セルとして複数の単位セルから構成される蓄電装置の電圧測定システムにおいて、前記蓄電装置は、複数の単位セルが複数組に分割され、各組毎に所定容量のキャパシタモジュールを構成するものにあって、前記各キャパシタモジュールと電子制御装置との間にネットワークが構築され、前記電子制御装置は、前記各キャパシタモジュールからネットワークを通してパケットの形で送信される検出情報に含まれる各単位セルの電圧値に基づいてサンプリングしているとき以外の電圧値から前記蓄電装置の総電圧を求めてサンプリング周期ごとにデジタル測定値として出力する手段と、前記蓄電装置とこれに接続される負荷との間を流れる電流のアナログ測定値を出力する手段と、前記電流のアナログ測定値から数学モデルを使って前記蓄電装置の総電圧として連続的な電圧値を出力する手段と、前記サンプリング周期ごとのデジタル測定値を用いて前記連続的な電圧値をキャリブレーションする手段と、を備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記数学モデルは、キャパシタの静電容量Ｃの定義式ｉ＝Ｃ（dＶ／dt）からｉを電流のアナログ測定値として電圧Ｖを逆算する式Ｖ＝（１／Ｃ）∫ｉdtであることを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、前記キャリブレーションする手段は、前記連続的な電圧値を電圧のデジタル測定値と一致させるべく、Ｖ＝（１／Ｃ）∫ｉdtのＣを補正することを特徴とする。

第１の発明においては、電流のアナログ測定値から数学モデルを使って連続的な電圧値が得られるので、蓄電装置の総電圧をサンプリング周期に依存せず高速に精度よく測定することができる。つまり、電子制御装置の制御ロジックの実行周期は、各キャパシタモジュールのパケット送信周期に制約されない。

また、諸種の要因（蓄電要素の温度など）により、実プラントと数学モデルとの間に誤差の生じても、連続的な電圧値は、サンプリング周期ごとに電圧のデジタル測定値を用いてキャリブレーション（校正）されるため、諸種の要因による測定精度の低下を防止することができる。

蓄電要素の単位セルとして用いられる電気二重層キャパシタは、出力密度が大きいため、急速充放電用途に用いられることが多いが、そのように電圧が大きく変動する測定対象であっても、蓄電装置の総電圧をサンプリング周期に依存せず高速に精度よく測定することができる。

第２の発明においては、連続的な電圧値は、ｉを電流のアナログ測定値としてＶ＝（１／Ｃ）∫ｉdtから推定されることになる。

第３の発明においては、諸種の要因（電気二重層キャパシタの温度など）による静電容量Ｃを補正することにより、実プラントと数学モデルとの間に誤差が生じるのを防止することができる。

図１は、車両の駆動系にエンジンおよび回転電機（モータジェネレータ）を備えるハイブリッドシステムにおいて、回転電機の電源として車両に搭載される蓄電装置２０の概略構成を表すものである。

蓄電装置２０は、回転電機にインバータを介して接続される。２１はECU（電子制御装置）であり、例えば、蓄電装置２０の蓄電量をパラメータにエンジンの駆動トルクと回転電機の駆動トルクとの分担率を設定する制御マップが格納され、制御マップから蓄電装置２０の蓄電量に応じた各分担率を求め、この分担率およびアクセル操作量（要求駆動トルク）に基づいて、エンジンの出力び回転電機の出力を制御する。

蓄電装置２０の蓄電量が所定値を超える場合、回転電機の分担率＝１（エンジンの分担率＝０）となり、アクセル操作量に相当する要求駆動トルクが回転電機から得られるように回転電機のインバータを制御する。蓄電装置２０の蓄電量が所定値以下の場合、回転電機の分担率＜１（エンジンの分担率＞０）となり、蓄電装置２０の蓄電量の低下に連れて回転電機の分担駆動トルクが小さくなり、それに応じてエンジンの分担駆動トルクが大きくなるようにエンジンの燃料供給装置および回転電機のインバータを制御する。蓄電装置２０の蓄電量の低下により、エンジンの分担率＝１（回転電機の分担率＝０）になると、アクセル操作量に相当する要求駆動トルクがエンジンから得られるようにエンジンの燃料供給装置を制御する。

ECU２１は、ブレーキ操作量（要求制動トルク）に基づいて、蓄電装置１０への充電が許容される限り、要求制動トルクに相当する回生制動トルクが回転電機から得られるように回転電機のインバータを制御する一方、回転電機の回生制動トルクで要求制動トルクを賄い切れない場合、不足分の制動トルクが得られるように車輪のメカニカル制動トルクを制御するようになっている。

蓄電装置２０は、複数の電気二重層キャパシタC11〜Cmn（以下、キャパシタセルと称する）から構成される。複数のキャパシタセルC11〜Cmnは、複数組に分割され、各組毎に所定容量のキャパシタモジュール１〜Ｆを構成する。ECU２１と各キャパシタモジュール１〜Ｆとの間にネットワーク（LAN）が構築され、各キャパシタモジュール１〜ＦからキャパシタセルC11〜Cmnの電圧や温度などの検出情報がネットワーク上へパケットの形で送信される。

ECU２１においては、各キャパシタモジュール１〜Ｆから送信される検出情報に基づいて、蓄電装置１０のキャパシタ状態に異常があるかどうかの判定が行われ、異常が判定されると、蓄電装置１０の放電（回転電機の分担駆動トルク）または充電（回転電機の回生制動トルク）を制限するようになっている。

蓄電装置２０の総電圧（蓄電装置２０の蓄電量に相応する）を推定するため、蓄電装置２０と回転電機のインバータとの間を流れる電流を検出する手段２２（電流計）が介装され、そのアナログ測定値ianaは、後述のプラントモデルにおいて、連続的な電圧値Vhatに変換され、制御ロジックへ与えられるのである。

図２において、２５はECU２１の制御ロジックであり、蓄電装置２０の蓄電量，アクセル操作量またはブレーキ操作量，蓄電装置２０のキャパシタ状態（キャパシタセルの電圧や温度など）に基づいて、回転電機の分担駆動トルクおよびエンジンの分担駆動トルク、または、回転電機の回生制動トルクおよび車輪のメカニカル制動トルク、を既述のように制御する。２７はアクチュエータであり、回転電機のインバータ，エンジンの燃料供給装置，車輪のメカニカルブレーキが含まれる。

実プラント２６（ハイブリッドシステム）の電流計２２のアナログ測定値ianaは、プラントモデル２８において、数学モデルを使って連続的な電圧値Ｖhatに変換される。数学モデルとしては、キャパシタの静電容量Ｃの定義式ｉ＝Ｃ（dＶ／dt）から電圧Ｖを逆算する式Ｖ＝（１／Ｃ）∫ｉdtが設定される。Ｃは蓄電装置の仕様に基づく初期値として予め与えられる。電流ｉとして電流計２２のアナログ測定値ianaが代入され、連続的な電圧値Vhat＝（１／Ｃ）∫iana dtとして出力され、制御ロジック２５は、連続的な電圧値Vhatを用いてアクチュエータ２７を制御する。

これにより、ECU２１は、電流計２２のアナログ測定値ianaから連続的な電圧値Vhatが得られるため、制御ロジック２５において、サンプリング周期に依存せず、蓄電装置２０の蓄電量に対して、高速に精度よく、アクチュエータ２７を制御することができる。この場合、諸種の要因（キャパシタ状態の温度や経時劣化など）により、実プラント２６と数学モデルとの間に誤差の生じる可能性が考えられるので、プラントモデル２８において、後述の適応ロジックからのキャリブレーション指令に基づいて、数学モデルの静電容量Ｃを補正する機能が備えられる。適応ロジック２９においては、連続的な電圧値Vhatをサンプリング周期ごとに得られるデジタル測定値Vdigと一致させるためのキャリブレーション指令を出力する。つまり、連続的な電圧値Vhatと離散的な測定値Vdigとの差から、これを０とするべく数学モデルのＣの補正量を求め、キャリブレーション指令としてプラントモデル２８へ与えるのである。

これにより、実プラント２６と数学モデルとの誤差が修正され、連続的な電圧値Vhatに基づく蓄電装置２０の総電圧（蓄電装置２０の蓄電量に相応する）の測定精度を高く維持することができる。蓄電装置２０の総電圧としてデジタル測定値Vdigについては、蓄電装置２０のキャパシタ状態が異常かどうかを判定したりするのに各キャパシタセルC11〜Cmnの電圧が検出されるので、実プラント２６において、直列接続のキャパシタセルC21〜C2n，C41〜C4n，…Cm1〜Cmnの電圧を積算して求められる値であり、この積算値Vdigは、蓄電装置２０の総電圧の離散的な実測値として適応ロジック２９へ与えられる。

図３は、蓄電装置２０の総電圧に関するタイムチャートであり、総電圧の実際値Vrealと、サンプリング周期ごとに得られる総電圧のデジタル測定値Vdigと、電流計２２のアナログ測定値ianaから数学モデルを使って求められる連続的な電圧値Vhatと、の関係を例示する。図３において、ｔ軸（時間軸）の「i＋1」〜「i＋3」は、サンプリング周期を表すものである。

このような電圧測定装置においては、サンプリング周期に依存しない、連続的な電圧値Vhatが得られるので、アクチュエータ２７を蓄電装置２０の蓄電量に対して高速に精度よく制御しえる。また、キャパシタモジュール数や情報量の増加に対しては、アクチュエータ２７の制御精度を確保しつつ、ネットワークのトラフィックを避ける上から、直列接続のキャパシタセルC21〜C2n，C41〜C4n，…Cm1〜Cmnの電圧などをネットワーク上へパケットの形で送信する周期（パケットの送信周期）を遅く設定することができる。また、実プラント２６において、電流計２２およびその信号線を追加する、というハードウエアの変更のみで済むため、コストを低く抑えながら、蓄電装置２０の蓄電量（蓄電装置２０の総電圧）を精度よく測定しえる、という効果が得られる。

この発明は、制御ロジック２５について、前記の実施形態に限定されるものでなく、蓄電装置２０の蓄電量に基づいて、回転電機およびエンジンを制御するハイブリッドシステムの制御ロジックであれば、広く適用可能となる。

この発明の実施形態を説明する蓄電装置の概略構成図である。同じく制御系の概要を説明するブロック図である。同じく測定結果を例示する特性図である。従来技術を説明する蓄電装置の概略構成図である。同じく制御系の概要を説明するブロック図である。同じく測定結果を例示する特性図である。

符号の説明

２０蓄電装置
２１ ECU（電子制御装置）
２２電流計
２５制御ロジック
２６実プラント
２７アクチュエータ
２８プラントモデル
２９適応ロジック

Claims

電気二重層キャパシタを蓄電要素の単位セルとして複数の単位セルから構成される蓄電装置の電圧測定システムにおいて、
前記蓄電装置は、複数の単位セルが複数組に分割され、各組毎に所定容量のキャパシタモジュールを構成するものにあって、
前記各キャパシタモジュールと電子制御装置との間にネットワークが構築され、
前記電子制御装置は、前記各キャパシタモジュールからネットワークを通してパケットの形で送信される検出情報に含まれる各単位セルの電圧値に基づいてサンプリングしているとき以外の電圧値から前記蓄電装置の総電圧を求めてサンプリング周期ごとにデジタル測定値として出力する手段と、前記蓄電装置とこれに接続される負荷との間を流れる電流のアナログ測定値を出力する手段と、前記電流のアナログ測定値から数学モデルを使って前記蓄電装置の総電圧として連続的な電圧値を出力する手段と、前記サンプリング周期ごとのデジタル測定値を用いて前記連続的な電圧値をキャリブレーションする手段と、を備える
ことを特徴とする蓄電装置の電圧測定システム。
前記数学モデルは、キャパシタの静電容量Ｃの定義式ｉ＝Ｃ（dＶ／dt）からｉを電流のアナログ測定値として電圧Ｖを逆算する式Ｖ＝（１／Ｃ）∫ｉdtであることを特徴とする請求項１に係る蓄電装置の電圧測定システム。
前記キャリブレーションする手段は、前記連続的な電圧値を電圧のデジタル測定値と一致させるべく、Ｖ＝（１／Ｃ）∫ｉdtのＣを補正することを特徴とする請求項２に係る蓄電装置の電圧測定システム。