JP6002962B2 - 車両用減速エネルギー回生システム - Google Patents

Description

本発明は、減速時の車両運動エネルギーを利用して車両用発電機の発電電力を予備蓄電手段に電力回生し、減速時以外には前記予備蓄電手段より車両電気負荷へ電力を供給することにより、減速時以外の車両用発電機の発電量を減らして燃費向上を図る減速エネルギー回生システムであって、特に予備蓄電手段の充放電電流に制約がある場合にも高い効率で電力回生と回生電力再利用を行うことを可能にする車両用減速エネルギー回生システムに関するものである。

従来この種の技術には、走行用エンジンによって駆動される車両用発電機及び主蓄電手段を含む車両用電源と、予備蓄電手段と、前記車両用電源と前記予備蓄電手段間に接続されて双方向に電圧変換可能なＤＣ−ＤＣコンバータとを具備し、電子演算装置によって、車両の走行状態を検出し、減速時に前記予備蓄電手段を充電し、減速時以外にこの充電された電力を主蓄電手段よりも優先して放電して車両電気負荷へ供給するように前記双方向ＤＣＤＣコンバータを切換制御するものが公知である（特許文献１参照）。

ところで、前記車両用電源と前記予備蓄電手段との間へ接続される双方向に電圧変換可能な双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、一例として図５に示す如く公知のＰＷＭ制御手段によってスイッチングされる上流側スイッチと下流側スイッチとインダクタとによって構成され、該上流側スイッチと下流側スイッチとは該ＰＷＭ制御手段によって相補的に所定の周波数・所定のＤｕｔｙでＯＮ／ＯＦＦ制御する構成が一般的である。

次に、かかるＤｕｔｙと車両用電源から入力される電圧Ｖｉの積が前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧となるので（Ｖｏ＝Ｖｉ×Ｄｕｔｙ）、該出力電圧が予備蓄電手段の電圧ＶＣよりも高い時に、車両用電源から予備蓄電手段を充電する電流が流れ、逆に該出力電圧が予備蓄電手段の電圧ＶＣよりも低い時に、予備蓄電手段から車両用電源へ放電する電流が流れる。

また、前記予備蓄電手段への充電電流及び予備蓄電手段からの放電電流は、前記双方向ＤＣＤＣコンバータの構成部品又は予備蓄電手段を形成する電気二重層コンデンサの許容電流値、さらに各部品を接続する配線材料の許容電流値以下に制限する必要がある。
その為、図５の例は車両用電源からの入力回路へ電流検出アンプを挿入して、該電流検出アンプの出力信号から誤差アンプを介して前記ＰＷＭ制御手段の制御Ｄｕｔｙへ制限を加えることによって双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流Ｉｉを所定の値以下とするものである。

ところが、この種の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは入力電力（＝Ｖｉ×Ｉｉ）と出力電力（＝Ｖｏ×Ｉｏ）とが略等しい。従って、車両用電源の電圧Ｖｉを１２Ｖとし予備蓄電手段である電気二重層コンデンサの電圧ＶＣを０Ｖとすると、仮に前記電流検出アンプによって入力電流を１０Ａに制限したとしても、
Ｖｉ×Ｉｉ＝１２Ｖ×１０Ａ≒ＶＣ×Ｉｏ＝０Ｖ×Ｉｏ
であるので、上記Ｉｏは無限大の値となる。

そこで、図６に示す如く前記電流検出アンプを予備蓄電手段側へ配置し、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータから該予備蓄電手段へ流れる電流Ｉｏに制限を持たせることが望ましい。

これによると前記車両用電源側の電圧範囲は通常１０Ｖから１６Ｖ程度であって、０Ｖとはならないので、前記予備蓄電手段側からの放電電力を仮に１００Ｗ（Ｖｏ＝１０Ｖ、Ｉｏ＝１０Ａ）としても、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの入力側への放電電流Ｉｉは１００Ｗ／１０Ｖ＝１０Ａに制限されるから、各電流値は、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの構成部品及び予備蓄電手段を形成する電気二重層コンデンサの許容電流値、さらに各部品を接続する配線材料の許容電流値以下とすることが可能になる。

一方、前記予備蓄電手段に蓄えられる電力は該予備蓄電手段を構成する電気二重層コンデンサの端子電圧ＶＣと、該電気二重層コンデンサへ流れる電流Ｉｏの積に等しい。
即ち、前述の如く予備蓄電手段へ流れる電流Ｉｏに制限を持たせた場合には、前記ＶＣが低い領域において蓄電される電力（＝Ｉｏ×ＶＣ）が小さく、しかるに車両用電源からの入力電流Ｉｉが小さくなって回生される電力量（＝Ｖｉ×Ｉｉ）が少ないといった問題が発生する。

かかる問題に対して、特許文献２によると双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、該コンバータの二次側電流を制御する電流制御手段と、該コンバータの二次側に接続されて回生エネルギーを電力として蓄電する電気二重層コンデンサとを具備した電源設備において、電気二重層コンデンサからの放電時は、該電気二重層コンデンサの電圧が所望の回生電力を取り込める設定電圧へ降下するまで放電されるように構成することで、該コンデンサの最低電圧を比較的高く保ち、従って回生電力（コンデンサ電圧×コンデンサ電流）を高くする技術が提案されている。

特開平６−２９６３３２号公報 特開２０１０−１６９６４号公報

しかしながら、特許文献２はクレーンを対象とした電力回生システムであって、該クレーンの動作様態から決まる回生エネルギー量が比較的定量化し易いので前記コンデンサの最低放電電圧を一義的に決めることが可能であるが、車両の減速エネルギー回生システムにおいて、回生エネルギーを蓄電する電気二重層コンデンサの最低放電電圧を如何にするべきかの技術的解決策を示唆していない。

本願の発明は以上のような課題に鑑み案出されたもので、車両用電源から双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを介して電気二重層コンデンサを配設すると共に、該電気二重層コンデンサの充放電電流を制御する電流制御手段を具備した車両の減速エネルギー回生システムにおいて、該電気二重層コンデンサの最低放電電圧を最適化することによって回生電力値を高くし、これによって減速エネルギー回生と回生電力の再利用の効率を向上したことを特徴とする車両用減速エネルギー回生システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載された発明によれば、走行用エンジンによって駆動される車両用発電機及び主蓄電手段を含む車両用電源と、予備蓄電手段と、前記車両用電源と前記予備蓄電手段間に接続されて前記予備蓄電手段側に電流検出手段を配すると共に、前記予備蓄電手段の充放電電流を制御可能と成した双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、車両の減速状態を検出する減速検出手段と、前記減速検出手段が減速を検出した時に前記予備蓄電手段を充電し、減速検出時以外にこの充電された電力を主蓄電手段よりも優先して放電して車両電気負荷へ供給するように前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを制御する制御手段と、前記予備蓄電手段の電圧が所定の放電下限電圧に達したことを検出して前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが前記予備蓄電手段を放電する動作を停止する電圧低下検出手段とを具備し、前記放電下限電圧は、車両の運転時間推移に対する車速の変化を規定した所望運転パターンにおいて回生電力量が最大となる電圧値に設定された事を特徴とする車両用減速エネルギー回生システムが提案される。

請求項２に記載された発明によれば、前記所望運転パターンは道路運送車両の保安基準の定める規定走行モードであることを特徴とする。

請求項１の車両用減速エネルギー回生システムによれば、車両が加減速を行う所望運転パターンにおいて前記予備蓄電手段を構成する電気二重層コンデンサの放電下限電圧を回生電力量が最大となる値に設定したから、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの使用部品許容電流値の制約等により前記予備蓄電手段の充放電電流を所定の値に制限した場合にも高い効率で車両の減速エネルギーを回生することができる。

請求項２の車両用減速エネルギー回生システムの制御方法によれば、市場における車両の走行パターン（時間推移：車速）を統計的観点で最も代表する運転状態を基に電力回生量が最大となるように前記予備蓄電手段の放電下限電圧を設定したから、車両が通常使用される環境化で、最大の効率で車両の減速エネルギーを回生でき走行燃費の向上が図られる。

本発明の一実施形態に係る車両用減速エネルギー回生システムにおいて、所望運転パターンに対する予備蓄電手段の充放電電圧推移を表す図である。 本発明の一実施形態に係る車両用減速エネルギー回生システムの構成を表す図である。 発明の一実施形態に係る車両用減速エネルギー回生システムにおいて、５８Ｆの電気二重層コンデンサを用いた場合の放電下限電圧に対する回生エネルギーの変化を表す図である。 発明の一実施形態に係る車両用減速エネルギー回生システムにおいて、２５Ｆの電気二重層コンデンサを用いた場合の放電下限電圧に対する回生エネルギーの変化を表す図である。 前記車両用電源から前記予備蓄電手段間へ接続される双方向に電圧変換可能なＤＣ−ＤＣコンバータの、一構成例である。 前記車両用電源から前記予備蓄電手段間へ接続される双方向に電圧変換可能なＤＣ−ＤＣコンバータの、他の構成例である。

以下、各図に従って、本発明の一実施様態について説明する。
図２は、本発明の一実施形態に係る車両用減速エネルギー回生システムの構成であって、１は車両用減速エネルギー回生システム、２は走行用エンジン２ａによって駆動される車両用発電機２ｂ及び主蓄電手段２ｃを含む車両用電源、３はエンジン制御ＥＣＵ、１４は減速エネルギー回生システムに内蔵された電気二重層コンデンサより成る予備蓄電手段（以下電気二重層コンデンサ１４と称す）、１１は車両用電源２と前記電気二重層コンデンサ１４との間に配設して双方向に電圧変換可能な双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、１２は電気二重層コンデンサ１４の充放電電流Ｉ１・Ｉ２を検出する電流検出手段、１６は前記電気二重層コンデンサ１４の電圧ＶＣが放電下限電圧に達したことを検出する電圧低下検出手段、１５はエンジン制御ＥＣＵ３からの信号を受けて車両の減速状態を検出する減速検出手段、１３は減速検出手段１５の出力信号によって双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１１の電圧変換方向を切り替えると共に、電流検出手段１２の検出値をモニターして双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１１のＰＷＭ駆動Ｄｕｔｙを制御することによって前記電気二重層コンデンサ１４の充放電電流Ｉ１・Ｉ２を制御する制御手段である。

次に図２における車両用減速エネルギー回生システム１の作用を説明する。
走行用エンジン２ａによって駆動される車両用発電機２ｂは、主蓄電手段２ｃの蓄電電圧が常時所定の一定値となるが如く充電すると同時に、接続２１から車両の各部へ所要電力を供給している。

車両の減速時には、車両運動エネルギーによって図示しない車両の駆動系から前記走行用エンジン２ａを介して前記車両用発電機２ｂが駆動される。
非減速時には車両に搭載された燃料を消費して走行用エンジン２ａが発生するエネルギーによって前記車両用発電機２ｂが発電を行うが、車両の減速時には走行用エンジン２ａが発生するエネルギーが減少し、前記駆動系から入力された車体の慣性モーメントによる運動エネルギーによって、前記車両用発電機２ｂが駆動されて前記主蓄電手段２ｃが充電される。

そこで車両用減速エネルギー回生システム１は、車両の減速状態を検出して、かかる減速時には前記車両用電源２から前記電気二重層コンデンサ１４を所定の定電流Ｉ１で充電して車両の運動エネルギーを電力として回生し、非減速時には前記電気二重層コンデンサ１４から前記車両用電源２へ向けて所定の定電流Ｉ２で回生電力を放出することにより、非減速時の車両用発電機２ｂの発電量を減らして車両の燃費向上を図るように作用する。

具体的には、車両用減速エネルギー回生システム１に内蔵された減速検出手段１５は、端子Ｔ３を介してエンジン制御ＥＣＵ３から、例えば車速信号とスロットル開度信号とが入力される。これによって、前記減速検出手段１５は所定車速以上で、且つスロットル開度が所定値以下の時を減速状態として検出し、制御手段１３へ減速判定信号を送出する。

次に、制御手段１３はかかる減速判定信号が入力された場合には、電流検出手段１２の検出値が、前記電気二重層コンデンサ１４を充電方向へ第一の定電流値Ｉ１で充電するように、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１１のＰＷＭ駆動Ｄｕｔｙを制御して前記電気二重層コンデンサ１４を充電する。

さらに、制御手段１３は前記減速判定信号が入力されない非減速時には、前記電流検出手段１２の検出値が、前記電気二重層コンデンサ１４から前記車両用電源２への放電方向であって、且つ第二の定電流値Ｉ２となるが如く、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１１のＰＷＭ駆動Ｄｕｔｙを制御する。

加えて前記電圧低下検出手段１６は前記非減速時に放電する電気二重層コンデンサ１４の電圧ＶＣが所定の値に低下したことを検出して、前記制御手段１３が前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１１の作動を停止するように作用する。

図１は、例えば車両が公知のＪＣ０８モードを走行した場合の前記電気二重層コンデンサ１４の電圧ＶＣの推移を表した図である。
前述の如く車両用減速エネルギー回生システム１の作用によって、車両の減速に伴って前記電圧ＶＣが増加し、続く車両の停止・加速に伴って電圧ＶＣが減少する。

前記電圧ＶＣの減少時に、前記電圧低下検出手段１６は前記電気二重層コンデンサ１４の電圧ＶＣが所定の下限値ＶＣｍｉｎとなった事を検出した場合に、電圧低下検出信号を前記制御手段１３へ送出することによって、該制御手段１３は前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１１の作動を停止して、前記電気二重層コンデンサ１４の放電を中止する。
以上のようにして、ＪＣ０８走行パターンの全期間における前記電気二重層コンデンサ１４の電圧ＶＣの最低値がＶＣｍｉｎ、最大値がＶＣｍａｘとなる。

図１において、前記電気二重層コンデンサ１４は前記所定の定電流値Ｉ１・Ｉ２で充放電するものとしたから、Ｉ１とＩ２とが等しい場合には、車両の減速時に該電気二重層コンデンサ１４の電圧ＶＣが増加する傾きと、非減速時に電圧ＶＣが減少する時の傾きとが同じになる。

さらに、回生電力値と放電電力値は前記ＶＣと前記所定の定電流値Ｉ１又はＩ２とをかけ合わせた結果であるから、図１における電圧ＶＣの傾きを持った部分と図示しない接地電位（０Ｖ）とで囲まれる面積が回生電力量と放電電力量の推移を表す。
但し、該ＶＣが変化しない（傾きが無い）部分については、電気二重層コンデンサ１４に流れる電流が０であるから前記回生電力量と放電電力量とには寄与しない。

しかるに、前記電気二重層コンデンサ１４の静電容量と前記充放電電流Ｉ１・Ｉ２と前記放電下限電圧ＶＣｍｉｎを規定すると、特定の走行パターンにおける電気二重層コンデンサ１４の最大電圧ＶＣｍａｘが決定される。ところが、該ＶＣｍａｘは前記車両用電源２の電圧を前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１１によって降圧して充電しているから、該ＶＣｍａｘの最大値は前記車両用電源２の電圧以下にクランプされる。

ところで、車両用減速エネルギー回生システム１は、限られた予備蓄電手段容量即ち電気二重層コンデンサ１４の容量で、また双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１１に使用される部品の特性に基づく許容電流値以下で、且つ車両用電源２と接続する配線材料の許容電流以下において、車両の減速時に最大限の電力回生を行うことが求められる。

しかしながら、前述の如く図１における前記電気二重層コンデンサ１４の電圧ＶＣの傾斜部と図示しない接地電位（０Ｖ）とで囲まれる面積が回生電力量と放電電力量の推移を表すから、前記放電下限電圧ＶＣｍｉｎを０Ｖとすると該回生電力量が小さくなることは明白である。

さらに、該放電下限電圧ＶＣｍｉｎが高い場合には、前記ＶＣｍａｘの最大値が前述の如く車両用電源２の電圧以下にクランプされるので、同様に回生電力量が小さくなる。

以上のように、前記電気二重層コンデンサ１４の放電下限電圧ＶＣｍｉｎと、該電気二重層コンデンサ１４の静電容量と、前記所定の充放電電流値Ｉ１・Ｉ２の設定値とは、所定の走行パターンにおける車両の減速エネルギー回生電力の総量と密接に関係していることが明らかである。

そこで、本発明の車両用減速エネルギー回生システム１は、前記電気二重層コンデンサ１４の放電下限電圧ＶＣｍｉｎと、該電気二重層コンデンサ１４の静電容量と、前記所定の充放電電流Ｉ１・Ｉ２の設定値と、所定の走行パターンとを条件として、回生電力量を計算し、図３及び図４に示す結果を得た。

図３は前記電気二重層コンデンサ容量を５８Ｆとし図４は２５Ｆとした場合において、該電気二重層コンデンサの前記所定の充電電流値Ｉ１を１３Ａに固定して、前記所定の放電電流値Ｉ２を１３Ａ、６Ａ、３Ａに変化した場合の前記ＪＣ０８モードにおける回生電力の総量を表したものである。さらに図３、図４共に前記ＶＣｍａｘを規定するバッテリー電圧は、車両の電気配線及び前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１１の電圧降下に鑑み、１１Ｖとして計算してある。

本実施例では、例えば図３に示す如く、前記電気二重層コンデンサ１４の容量を５８Ｆとし、所定の充放電電流値Ｉ１・Ｉ２をともに１３Ａとした場合に、該電気二重層コンデンサ１４の放電下限電圧ＶＣｍｉｎが６．８Ｖの時に、最大の回生電力量３８０００Ｊが得られる。

ところが、前記放電下限電圧ＶＣｍｉｎを前記６．８Ｖより高く設定すると前述の如く電気二重層コンデンサ１４の最大電圧ＶＣｍａｘが前記車両用電源２の電圧にクランプされる時間が長くなることによって前記回生電力量が小さくなる。

一方、前記放電下限電圧ＶＣｍｉｎを前記６．８Ｖより低く設定すると前述の如く電気二重層コンデンサ１４の電圧ＶＣと前記所定の充放電全流Ｉ１・Ｉ２との積が小さくなることによって前記回生電力量が小さくなる。

同様にして、電気二重層コンデンサ１４の容量、或いは充放電電流値Ｉ１・Ｉ２を変更した場合に最大の回生電力量が得られる放電下限電圧ＶＣｍｉｎが計算される。

従って、所望走行パターンを条件として前記二重層コンデンサ１４の容量と前記充放電電流値Ｉ１・Ｉ２を決定すれば、車両減速時に最大の回生電力量が得られる前記電気二重層コンデンサ１４の放電下限電圧ＶＣｍｉｎを計算することができる。

尚、本実施例では前記所定の走行パターンは公知のＪＣ０８モードとしたが、かかる走行パターンはこれに限ることなく、車両の使用様態に合わせて独自の走行パターンを決定し、最大の回生電力量が得られるＶＣｍｉｎの値を算出することができる。

さらに、実際に路上走行する車両の走行パターンから前記放電下限電圧ＶＣｍｉｎの最適値を演算して学習し、該ＶＣｍｉｎを自動的に更新しても良い。

以上のように、本発明の車両用減速エネルギー回生システムは、予備蓄電手段を成す電気二重層コンデンサが車両非減速時に放電する際の放電下限電圧ＶＣｍｉｎ及び車両減速時の充電時にクランプされる最大電圧ＶＣｍａｘと、該電気二重層コンデンサの静電容量値と、該電気二重層コンデンサの充電電流と、該電気二重層コンデンサの放電電流と、車両の所定走行パターンとを条件として、車両の減速時に回生されるエネルギーが最大となる予備蓄電手段の放電下限電圧ＶＣｍｉｎを計算し、前記電圧低下検出手段によって非減速時の前記予備蓄電手段の放電下限電圧が前記ＶＣｍｉｎとなる様に制御されるものとした。

これによって、限られた充放電電流で、且つ限られた予備蓄電容量において車両の減速エネルギー回生を効率良く行うことができるから、車両用減速エネルギー回生システムのコストを低く抑えた上で回生効率を上げて、燃費向上を可能にすることができる。

１ 車両用減速エネルギー回生システム
１１ 双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ
１２ 電流検出手段
１３ 制御手段
１４ 予備蓄電手段（電気二重層コンデンサ）
１５ 減速検出手段
１６ 電圧低下検出手段
２ 車両用電源
２ａ 走行用エンジン
２ｂ 車両用発電機
２ｃ 主蓄電手段
３ エンジン制御ＥＣＵ

Claims (2)

1. 走行用エンジンによって駆動される車両用発電機及び主蓄電手段を含む車両用電源と、予備蓄電手段と、前記車両用電源と前記予備蓄電手段間に接続されて前記予備蓄電手段側に電流検出手段を配すると共に、前記予備蓄電手段の充放電電流を制御可能と成した双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、車両の減速状態を検出する減速検出手段と、前記減速検出手段が減速を検出した時に前記予備蓄電手段を充電し、減速検出時以外にこの充電された電力を主蓄電手段よりも優先して放電して車両電気負荷へ供給するように前記双方向ＤＣＤＣコンバータを制御する制御手段と、前記予備蓄電手段の電圧が所定の放電下限電圧に達したことを検出して前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが前記予備蓄電手段を放電する動作を停止する電圧低下検出手段とを具備し、前記放電下限電圧は、車両の運転時間推移に対する車速の変化を規定した所望運転パターンにおいて回生電力量が最大となる電圧値に設定された事を特徴とする車両用減速エネルギー回生システム。
2. 前記所望運転パターンは、道路運送車両の保安基準の定める規定走行モードであることを特徴とする請求項１記載の、車両用減速エネルギー回生システム。

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