JP5258831B2

JP5258831B2 - 車両の充電装置

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Publication number: JP5258831B2
Application number: JP2010097863A
Authority: JP
Inventors: 寛藤井; 望上岡
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2030-04-21
Also published as: US20110260683A1; DE102010050418A1; DE102010050418B4; US9793749B2; JP2011229305A

Description

本発明は、内燃機関により駆動される発電機にて充電する充電装置、特に、ハイブリッド自動車の充電に適した車両の充電装置に関するものである。

内燃機関のみを動力源とする従来の自動車においては、バッテリを充電するために発電機が搭載され、エンジンの発生トルクの一部を電力に変換して充電を行っている。通常、発電機は交流を出力するため、整流器を用いて直流に変換し、その直流をバッテリに接続している。バッテリの充電電圧、すなわち、整流器の出力する直流電圧は、発電機や整流器の回路により、一定の所定電圧に自動調整される場合もあるが、制御装置により整流器の出力電流、または、発電機の出力電圧を可変にする技術が提案されている。

制御装置により整流器の出力電流を可変にする技術として、例えば、特許文献１に示される発電装置では、制御装置は整流器をスイッチングし、バッテリから発電機のコイルへ電力を供給できるように構成され、整流器のスイッチングのタイミングを制御することで、コイルに鎖交する磁束を制御し、整流器の出力電流を可変にする技術が開示されている。

また、発電機の出力電圧を可変にする技術として、例えば、特許文献２に示される交流発電機の出力制御装置では、制御装置は発電機の界磁電流を制御できるように構成され、界磁電流を制御することで、整流器の出力電圧を可変にする技術が開示されている。この場合、制御装置は、現在の整流器の出力電圧を測定し、ある目標の出力電圧と一致するように界磁電流をフィードバック制御している。

いずれの技術も、整流器の出力電圧を可変にする目的は、発電機がエンジンから取り出すトルクを可変にすることで、加速性能向上やエンジンの回転変動防止を達成することにある。

一方、ハイブリッド自動車は、エンジンまたは車両の運動エネルギーにて発電し、電力を蓄える回生と、蓄えた電力にてモータを駆動し、駆動軸にトルクを付加する力行を行う。すなわち、ハイブリッド自動車には、モータを駆動する蓄電装置が搭載されている。蓄電装置としては、ニッケル水素、リチウムイオン等の二次電池やキャパシタが主に用いられる。キャパシタは、二次電池に比べ内部抵抗が低いため、短時間でモータへ大電力を供給できる利点があるが、キャパシタの充電量低下によってキャパシタの端子間電圧が低下し、かつ、発電機の出力電力が大きい時に、整流器から出力された電力でそのままキャパシタを充電すると、大電流がキャパシタに流れてしまい、キャパシタの劣化や破損を引き起こす可能性がある。

この対策として、特許文献３に示されるハイブリッド電気自動車の電源システムでは、整流器としてのインバータ（以下、単にインバータという）とキャパシタとの間に直列に抵抗を挿入する、あるいは発電機とインバータとの間に抵抗またはインダクタを挿入することにより、キャパシタへの充電電流を制限する技術が開示されている。

また、特許文献４に示されるハイブリッドシステムでは、インバータとキャパシタの間に直列に昇降圧チョッパを接続する、あるいは並列に定電流回路を接続することにより、キャパシタに大電流が流れることを防止する技術が開示されている。昇降圧チョッパは、キャパシタを充電する時、キャパシタの端子間電圧に対して、充電電流の指令値を生成し
、生成した充電電流の指令値に合わせて、充電電圧を降圧させる装置であり、また、定電流回路は、キャパシタへの充電電流を一定値にする回路である。

特開平１１−４６４５６号公報特開平６−１９７４７０号公報特開２０００−２７８８０７号公報特開２００５−２６９８２５号公報

しかしながら、特許文献１または特許文献２に開示されているバッテリに適用される技術をキャパシタを蓄電装置として用いるハイブリッド自動車に適用すると、キャパシタを劣化あるいは破損させる可能性がある。ハイブリッド自動車は、力行時にキャパシタに蓄えられた電力にてモータを駆動させるため、キャパシタの端子間電圧が０Ｖ近傍まで低下することが起こり得る。従って、この後、力行から回生に移行した時は、キャパシタの端子間電圧が０Ｖ近傍まで低下している状態で充電を開始することになる。

ところが、特許文献１における発電装置では、キャパシタの端子間電圧が０Ｖ近傍まで低下している場合に、発電機のコイルに鎖交する磁束を調整するための電力を、キャパシタから発電機へ供給できないため、充電電流を低下させることができず、発電機の回転数によって決まる発電機の最大出力電圧でキャパシタを充電することになる。このため、ある回転数以上で発電が開始された場合は、キャパシタへ大電流が流れ、キャパシタを劣化あるいは破損させる可能性があるという課題があった。

また、特許文献２における交流発電機の出力制御装置では、発電する時にエンジンの負荷トルクが急変することによる回転変動を防止する目的で目標充電電圧が設定されているが、目標充電電圧と現在のキャパシタの端子間電圧との電圧差には上限を設けていない。このため、キャパシタを劣化あるいは破損させる電流を発生させるような電圧差となる可能性がある。特に、エンジンが高回転、かつ、低負荷である場合、エンジンの出力トルクは発電機が消費するトルクに比べ十分大きいため、電圧差が大きくなる可能性があるという課題があった。

さらに、特許文献３および特許文献４においても、キャパシタに大電流が流れることを防止するために挿入された抵抗、インダクタ、昇降圧チョッパまたは定電流回路にて発生する損失によって効率が低下するという問題があった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、キャパシタを劣化あるいは破損させることなく充電することが可能で、損失を低減し高効率化を図った車両の充電装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の車両の充電装置は、内燃機関により駆動されて調整可能な交流電圧を出力する発電機と、前記出力された交流電圧を直流電圧に変換する整流器と、前記変換された直流電圧にて充電されるキャパシタと、前記整流器の出力電圧を測定する電圧センサと、前記キャパシタの充電時に充電電流を充電電流上限値未満に抑えるために、充電電圧が前記出力電圧から算出される目標充電電圧となるように前記発電機を制御する制御装置と、を備え、前記発電機は、界磁電流を調整することにより、出力可能な上限電圧の範囲にまで任意に出力電圧を調整することが可能であり、前記目標充電電圧を段階的に所定の電圧で上げることを特徴とするものである。

本発明の車両の充電装置によれば、キャパシタに充電する際、充電電流上限値未満の充電電流となるように目標充電電圧を設定し、充電電圧が目標充電電圧と一致するように発電機の界磁電流を制御することで、キャパシタの劣化や破損を防止しつつ、従来の充電装置に比べ高効率化を図ることが可能になる。

実施の形態１における車両の充電装置の全体を示す構成図である。実施の形態１における車両の充電装置のシステム制御装置およびＭＧ制御装置での処理を示すブロック図である。実施の形態１における車両の充電装置の界磁デューティ演算部のブロック図である。実施の形態１における車両の充電装置のシステム制御装置にて実行される処理を示すフローチャートである。実施の形態１における車両の充電装置の系電圧、目標充電電圧および充電電流の時間変化を示す図である。実施の形態１における車両の充電装置のＭＧ制御装置にて実行される界磁デューティのフィードバック演算と界磁電流とを出力する処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態に係る車両の充電装置について図１〜図６に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１における車両の充電装置の全体を示す構成図である。図２は、システム制御装置およびＭＧ制御装置での処理を示すブロック図である。図３は、界磁デューティ演算部のブロック図である。
図１に示すように、車両の充電装置は、ガソリンまたは軽油などの炭化水素系の燃料を動力源とする内燃機関であるエンジン１と、エンジン１の運転状態を検出する各種センサから入力された信号により燃料噴射制御や点火時期制御、吸入空気量調節制御などを制御するエンジン制御装置２と、エンジン１の出力軸に連結され、発電機として駆動することができると共に電動機として駆動できる発電電動機（以下、ＭＧという）３と、ＭＧ３に接続され、直流あるいは交流に電力変換を行うインバータ４と、ＭＧ３で発電されインバータ４により直流に変換された電力を蓄電する、あるいは蓄電した電力をインバータ４により交流に変換されてＭＧ３に供給する蓄電装置であるキャパシタ５（例えば、電気二重層キャパシタ）と、インバータ４の出力端子に設置され、系電圧を測定する電圧センサ６と、電圧センサ６に接続されＭＧ３とインバータ４を制御するＭＧ制御装置７と、電圧センサ６とＭＧ制御装置７とに接続され、これらを制御するシステム制御装置８で構成されている。

次に、車両の充電装置の動作について図２のシステム制御装置およびＭＧ制御装置での処理を示すブロック図を参照して説明する。ＭＧ制御装置７では、システム制御装置８のＶｔｇｔ送信部１２から送信された目標充電電圧Ｖｔｇｔが受信され、インバータ４の出力端子に設置された電圧センサ６からの系電圧信号Ｖｓｙｓが読み込まれる。また、目標充電電圧Ｖｔｇｔと系電圧信号Ｖｓｙｓとが一致するように、界磁デューティ演算部２１にて界磁デューティがフィードバック演算処理され、算出された界磁デューティにて界磁電流出力回路２２がＰＷＭ駆動される。これにより、算出された界磁デューティに応じた界磁電流がＭＧ３の界磁コイル３１へ出力され、ＭＧ３の出力電圧が制御される。また、ＭＧ制御装置７では、ＭＧ３の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ（図示せ
ず）の信号により、ＭＧ３の回転数ＮｍｇがＭＧ回転数Ｎｍｇ演算部２３にて演算処理され、算出された回転数ＮｍｇがＮｍｇ送信部２４からシステム制御装置８へ送信される。さらに、システム制御装置８では、電圧センサ６から読み込まれた系電圧信号Ｖｓｙｓと、ＭＧ制御装置７から受信したＭＧ３の回転数Ｎｍｇに基づいて目標充電電圧Ｖｔｇｔが目標充電電圧Ｖｔｇｔ演算部１１で演算処理され、算出されたＶｔｇｔをＶｔｇｔ送信部１２からＭＧ制御装置７へ送信される。これら一連の操作によりＭＧ３で発電された電力をインバータ４で直流に変換してキャパシタ５を充電する。

続いて、具体的な界磁デューティの算出法について、図３の界磁デューティ演算部２１のブロック図を参照して説明する。目標充電電圧Ｖｔｇｔおよび系電圧信号Ｖｓｙｓの演算処理により、偏差Ｅが設定される。次に、この偏差Ｅを用いて、ＰＩ制御演算が行われる。ＰＩ制御の演算式は、Ｋｐ×Ｅ＋Ｋｉ×∫Ｅｄｔで表される。Ｋｐは比例ゲイン、Ｋｉは積分ゲインであり、これらはＭＧ制御装置７に定数として記憶させておく。ＰＩ制御演算の演算結果を０％から１００％までの値となるように上下限クリップした値が界磁デューティとなる。このようにして算出された界磁デューティにより界磁電流出力回路２２がＰＷＭ駆動されることにより、界磁デューティに応じた界磁電流がＭＧ３の界磁コイル３１へ出力され、ＭＧ３から界磁電流に応じた電力が出力される。ＭＧ３にて発電された電力をインバータ４により整流された後の直流の出力電圧、すなわち、系電圧Ｖｓｙｓは、電圧センサ６により測定され、このＶｓｙｓが再び界磁デューティ演算部２１へ入力されることにより、界磁デューティのフィードバック演算が繰り返し実行される。

また、同時にＭＧ制御装置７では、ＭＧ回転数Ｎｍｇ演算部２３にて、回転位置検出センサ（図示せず）からの信号によりＭＧ３の回転位置が検出され、処理周期の１周期間Ｔ２（例えば１．２５ｍｓ）の回転位置の変化量からＭＧ３の回転数Ｎｍｇが演算処理され、算出されたＮｍｇがＮｍｇ送信部２４からシステム制御装置８へ送信される。

次に、システム制御装置８にて実行される処理を図４のフローチャートを用いて説明する。図４における処理は、所定の処理周期Ｔ１（例えば、１０ｍｓ）で繰り返し実行される。ステップＳ１０１にて、ＭＧ制御装置７からＭＧ３の回転数Ｎｍｇが受信され、ステップＳ１０２にて、Ｖｓｙｓが測定される。ステップＳ１０３にて、ＶｔｇｔがＶｔｇｔ＋αとされる。このαは、予め値を設定し、定数としてシステム制御装置８に記憶させる。このαの設定方法の一例を説明する。

まず、キャパシタ５の特性値から定格電流Ｉｍａｘ（例えば、５０Ａ）とキャパシタ５の内部抵抗値Ｒｃ（例えば、１ｍΩ）を得る。インバータ４の出力端からキャパシタ５までの配線の抵抗Ｒ０（例えば、２９ｍΩ）は、配線の長さ、太さ等から算出する。すなわち、キャパシタ５充電回路の全抵抗値ＲはＲ０＋Ｒｃとなる。ところで、現在のＶｓｙｓに対して、充電電圧Ｖｓｙｓ＋Ｖ０で充電する場合を考えると、充電電流Ｉ（ｔ）は、

Ｉ（ｔ）＝（Ｖ０／Ｒ）×ｅｘｐ（−ｔ／Ｒ／Ｃ）・・・（１）

で表され、最大電流Ｉ０は、

Ｉ０＝Ｖ０／Ｒ・・・（２）

で表される。ここで、Ｖ０／Ｒ＝Ｉｍａｘを満たすＶ０が、定格電流Ｉｍａｘを発生させる電位差（この例では、１．５Ｖ）であるから、電圧値αがこのＶ０より小さい値に設定され（例えば、１Ｖ）、定数としてシステム制御装置８に記憶させる。記憶されたαを用いて、ＶｔｇｔがＶｓｙｓ＋αに設定される。このようにして、Ｖｔｇｔが設定された場合の系電圧と充電電流の関係を図５に示す。Ｖｔｇｔは、処理周期Ｔ１ごとに、Ｖｓｙｓ
の測定値を用いてＶｓｙｓ＋αに更新されるため、Ｖｔｇｔが更新されたときのＶｔｇｔとＶｓｙｓとの電位差はαとなり、最大電流α／Ｒ（この例では、３３Ａ）の充電電流が流れ、この充電電流は、Ｉｍａｘ未満となる。

キャパシタ５の特性値から得られたキャパシタ５の耐圧から、マージン（例えば、５Ｖ）を差し引いた電圧値Ｖｃをあらかじめ算出し、定数としてシステム制御装置８に記憶させておき、ステップＳ１０４にて、このＶｃでＶｔｇｔを上限クリップする。さらに、ステップＳ１０５にて、Ｎｍｇによって決まる最大充電電圧Ｖｍｇ以下に上限クリップする。Ｎｍｇに対するＶｍｇの値は、例えば、界磁デューティ９０％で発電した場合の、Ｎｍｇに対する最大充電電圧を実測し、マップ値としてシステム制御装置８に記憶させておく。ステップＳ１０６にて、ＶｔｇｔがＭＧ制御装置７へ送信される。

ＭＧ制御装置７において、界磁デューティがフィードバック演算処理され、界磁電流が算出される処理を、図６のフローチャートを用いて説明する。図６のＭＧ３の界磁電流を制御する処理では、所定の処理周期Ｔ２（例えば、１．２５ｍｓ）で繰り返し実行される。ステップＳ２０１にて、システム制御装置８からＶｔｇｔを受信し、ステップＳ２０２にて、電圧センサ６からＶｓｙｓが読み込まれる。ステップＳ２０３にて、ＶｔｇｔとＶｓｙｓとが一致するように、界磁デューティが図３のブロック図に従ってフィードバック演算処理され、ステップＳ２０４にて、ステップＳ２０３において算出された界磁デューティにより界磁電流出力回路２２がＰＷＭ駆動され、界磁デューティに応じた界磁電流がＭＧ３の界磁コイル３１へ出力される。

従って、本実施の形態１によれば、常に充電電流上限値以上の充電電流が発生しないように目標充電電圧ｖｔｇｔを設定するため、特許文献１、特許文献２の技術をそのままハイブリッド自動車のキャパシタを充電に適用する場合に比べ、キャパシタを劣化、破損させる大電流が流れることを常に防止することができる利点がある。また、発電機の界磁電流をフィードバック制御することで、界磁電流で消費される電力を、特許文献３、特許文献４における抵抗、インダクタ、昇降圧チョッパあるいは定電流回路にて消費される電力に比べて小さくできるため、特許文献３、特許文献４に比べて高効率である。よって、キャパシタの劣化、破損を防止できる充電装置においては、本発明の方がより高効率となる。

次に、実施の形態１の車両の充電装置と先行技術の特許文献１から４の充電装置について具体的な実施例で効果の違いを比較する。
特許文献１においては、例えば、キャパシタの定格電流が５０Ａで、キャパシタの耐圧に対し余裕をもって利用可能な上限電圧が３０Ｖに制限されるキャパシタを用い、発電機からの出力が５ｋＷ、キャパシタの内部抵抗を含めたキャパシタ充電回路の全抵抗値が３０ｍΩで、現在のキャパシタの端子間電圧が０Ｖであるとすると、整流器の出力電圧３０Ｖで充電を開始する場合に、出力電流を調整することができないため、発電機の最大出力電流である１６７Ａの電流がキャパシタに流れる可能性がある。

特許文献２においては、目標充電電圧と現在のキャパシタの端子間電圧の電圧差に上限を設けていないため、例えば、キャパシタの定格電流が５０Ａで、キャパシタの耐圧に対し余裕をもって利用可能な上限電圧が３０Ｖに制御されるキャパシタを用いた場合には、現在のキャパシタの端子間電圧が０Ｖであっても、目標充電電圧が３０Ｖに設定されるので、目標充電電圧と現在のキャパシタの端子間電圧との電圧差が３０Ｖとなる可能性がある。この時、発電機の出力が５ｋＷ、キャパシタ充電回路の全抵抗値が３０ｍΩで、現在のキャパシタの端子間電圧が０Ｖとすると、キャパシタへは発電機の最大出力電流である１６７Ａの電流が流れる可能性がある。

これに対して、実施の形態１では、充電電流上限値以上の充電電流が発生しないように目標充電電圧を設定することができるので、例えば、キャパシタの端子間電圧が０Ｖである場合においても、目標充電電圧を１Ｖに設定することができるので、キャパシタ充電回路の全抵抗値が３０ｍΩであるとすれば、充電電流は最大３３Ａに抑えられ、キャパシタの定格電流５０Ａ未満となる。従って、キャパシタの劣化や破損を引き起こす大電流がキャパシタへ流れることを常に防止することができる効果がある。

特許文献３においては、例えば、定格電流５０Ａのキャパシタと、インバータから出力される電圧が最大５０Ｖの場合、インバータとキャパシタの間に挿入する抵抗は１Ωとなり、この時、この抵抗で消費される電力は２．５ｋＷとなる。また、発電機とインバータとの間に抵抗またはインダクタを挿入する場合も前記と同様で、抵抗またはインダクタで２．５ｋＷ程度の電力が消費される。

特許文献４においては、例えば、定格電流５０Ａのキャパシタと、インバータから出力される電圧が最大５０Ｖで、発電機の出力が５ｋＷの場合、出力電流は１００Ａとなるが、昇降圧チョッパまたは定電流回路によりキャパシタへの充電電流が５０Ａに制限されているので、昇降圧チョッパまたは定電流回路では、最大５０Ａが消費され、電力に換算すると２．５ｋＷが消費されることになる。

これに対して、実施の形態１においては、界磁電流は、電装品用の１４Ｖのバッテリから供給され、最大で２０Ａ程度となるので、界磁電流で消費される電力は、最大０．２８ｋＷとなる。従って、本発明の充電装置における界磁電流で消費される電力の方が、先行技術の充電装置の抵抗、インダクタ、昇降圧チョッパまたは定電流回路にて消費される電力に比べて小さいため、高効率となる。併せて、本発明によれば、キャパシタの充電電流が上限値未満となるように、目標充電電圧を設定することができるため、キャパシタを劣化、破損させる大電流がキャパシタへ流れることを常に防止することができる。

このように、実施の形態１における車両の充電装置では、蓄電装置ごとに定められた充電電流の上限である充電電流上限値未満の充電電流となるように目標充電電圧を設定し、充電電圧が目標充電電圧と一致するように発電機の界磁電流を制御することで、蓄電装置の劣化や破損を防止しつつ、従来の充電装置に比べ高効率化を図ることが可能となる顕著な効果がある。

なお、この他の実施形態として、ＭＧ制御装置７へ系電圧信号Ｖｓｙｓを入力せずに、システム制御装置８に入力された系電圧信号Ｖｓｙｓを、ＭＧ制御装置７へ送信することも可能である。この場合、ＭＧ制御装置７は、システム制御装置８から送信されたＶｓｙｓと目標充電電圧Ｖｔｇｔを用いて界磁電流のフィードバック演算を行う。逆に、ＭＧ制御装置７に入力された系電圧信号Ｖｓｙｓをシステム制御装置７へ送信し、システム制御装置８は、受信したＶｓｙｓを用いて、目標充電電圧Ｖｔｇｔを算出することも可能である。

また、本実施の形態１における車両の充電装置の構成では、それぞれが独立した装置により構成される場合について説明したが、複数の装置が統合されたものを用いてもよい。例えば、ＭＧ制御装置７とシステム制御装置８とを統合した制御装置、エンジン制御装置２とシステム制御装置８とを統合した制御装置、ＭＧ３とインバータ４とＭＧ制御装置７とを統合した装置などを用いることも可能である。

また、本実施の形態１における車両の充電装置の構成では、蓄電装置としてキャパシタを使用する場合について述べたが、例えば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等、他の充放電可能な二次電池であっても同様の効果が期待できる。

また、図において、同一符号は、同一または相当部分を示す。

１エンジン
２エンジン制御装置
３発電電動機
４インバータ
５キャパシタ
６電圧センサ
７ＭＧ制御装置
８システム制御装置
１１目標充電電圧Ｖｔｇｔ演算部
２１界磁デューティ演算部
２２界磁電流出力回路
２３ＭＧ回転数Ｎｍｇ演算部
３１界磁コイル

Claims

内燃機関により駆動されて調整可能な交流電圧を出力する発電機と、
前記出力された交流電圧を直流電圧に変換する整流器と、
前記変換された直流電圧にて充電されるキャパシタと、
前記整流器の出力電圧を測定する電圧センサと、
前記キャパシタの充電時に充電電流を充電電流上限値未満に抑えるために、充電電圧が前記出力電圧から算出される目標充電電圧となるように前記発電機を制御する制御装置と、を備え、
前記発電機は、界磁電流を調整することにより、出力可能な上限電圧の範囲にまで任意に出力電圧を調整することが可能であり、
前記目標充電電圧を段階的に所定の電圧で上げることを特徴とする車両の充電装置。
前記発電機は、発電機として駆動させることができると共に電動機としても駆動させることができる発電電動機であることを特徴とする請求項１に記載の車両の充電装置。