JP6055483B2 - 充放電システム - Google Patents

Description

本発明は、電気エネルギを充放電する充放電システムに関する。

車両等の駆動力源としての電動機に電力を供給するためにバッテリが用いられる。バッテリとしては、例えば鉛蓄電池やリチウムイオン電池等の二次電池が用いられる。また、バッテリ装置とは別に、電気二重層キャパシタ等により電気エネルギを充放電する装置も知られている。

バッテリは蓄積可能な容量が大きいが、高頻度の充放電や深度の大きな充放電を行うと寿命が低下するという特性がある。キャパシタは高頻度の充放電や深度の大きな充放電には強く寿命は長いが蓄積可能な容量が比較的小さいという特性がある。このように、バッテリとキャパシタとは特性が異なるので、バッテリとキャパシタとを同時に搭載する場合は、それぞれの特性に応じた制御を行う必要がある。

ＪＰ２００８−０３５６７０Ａには、バッテリとキャパシタとによる複数の充電機構を搭載する車両において、出力性能が他より優れる充電機構の充電量を確保することが開示されている。

バッテリは高出力、高頻度の充放電や深度の大きな充放電を行うと寿命が低下するので、このような充放電はキャパシタに分担させることが好適である。一方で、従来技術では、バッテリ及びキャパシタのいずれか一方に切り替えて充放電を行うので、必ずしも効率よく充放電を行えるとはいえない。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリやキャパシタなど、負荷や充放電特性が異なる複数の充電装置を搭載する充放電システムにおいて、エネルギ効率を向上できる充放電システムを提供することを目的とする。

本発明の一実施態様は、車両を駆動する駆動力源であって、車両の動力により発電を行う電動発電機と、電動発電機に電力を供給し、電動発電機が発電した電力を充電する第１の充電装置と、第１の充電装置とは異なる第２の充電装置と、第１の充電装置と第２の充電装置との間で互いに充放電を行わせる電力変換装置と、電動発電機及び電力変換装置を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、第１の充電装置及び第２の充電装置の充電状態充電状態を取得し、第１の充電装置の充電状態が第１の所定値以下の場合は、電力変換装置を制御して、第２の充電装置に充電された電力を第１の充電装置に充電し、第１の充電装置の充電状態が第２の所定値以上の場合は、電力変換装置を制御して、第１の充電装置に充電された電力を第２の充電装置に充電し、第２の充電装置の充電状態が第３の所定値以下の場合は、電力変換装置を制御して、第２の充電装置に充電された電力が第１の充電装置に充電されることを制限し、第２の充電装置の充電状態が第４の所定値以上の場合は、電力変換装置を制御して、第１の充電装置に充電された電力が第２の充電装置に充電されることを制限する
充放電システムである。

本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細を説明する。

図１は、本発明の実施形態の充放電システムが適用された車両の説明図である。 図２Ａは、本発明の実施形態のキャパシタの充放電マップの一例の説明図である。 図２Ｂは、本発明の実施形態のバッテリの充放電マップの一例の説明図である。 図２Ｃは、本発明の実施形態のバッテリの充放電マップの一例の説明図である。 図３は、本発明の実施形態の充放電システムが搭載された車両における運転状態とキャパシタ、バッテリそれぞれのＳＯＣの状態を示す説明図である。

図１は、本発明の実施形態の充放電システム１が適用された車両の説明図である。

充放電システム１は、インバータ１０、キャパシタ２０、電力変換装置３０、バッテリ４０、コントローラ５０、コントローラ１００及びモータジェネレータ６０を備える。

キャパシタ２０（第１の充電装置）は、例えば電気二重層キャパシタにより構成され、電力を充放電する。バッテリ４０（第２の充電装置）は、例えばリチウムイオン二次電池により構成され、電力を充放電する。

キャパシタ２０及びバッテリ４０は、インバータ１０を介して、充電された電力をモータジェネレータ６０に供給する。また、モータジェネレータ６０により発電された電力を、インバータ１０を介して充電する。インバータ１０は、キャパシタ２０及びバッテリ４０とモータジェネレータ６０との間で交直流の変換を行う。

電力変換装置３０は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータにより構成され、キャパシタ２０とバッテリ４０との間で電圧の昇降を行うことで、キャパシタ２０からバッテリ４０に充電を行う、または、バッテリ４０からキャパシタ２０に充電を行う。

バッテリ４０には、電動補機７０が接続されており、バッテリ４０は電動補機７０に電力を供給する。電動補機７０は、エアコンや冷却水回路のポンプ、ラジエタのファン、その他電気駆動される装置等が含まれる。

モータジェネレータ６０（電動発電機）は、車両の駆動力源として機能し、駆動輪９０を回転させる。また、モータジェネレータ６０は、車両の減速時に発電機として機能し、回生電力として回収する。エンジン８０は、モータジェネレータ６０と共に、又は、エンジン８０単体で車両の駆動力源として機能する。また、エンジン８０は、モータジェネレータ６０を駆動してモータジェネレータ６０に発電をさせることもできる。

コントローラ５０は、キャパシタ２０及びバッテリ４０の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を検出する。また、コントローラ５０は、電力変換装置３０の動作を制御する。コントローラ１００は、インバータ１０及びエンジン８０の動作を制御する。

コントローラ１００は、車両が停止状態から発進を要求されたときは、キャパシタ２０に充電された電力を、インバータ１０を介してモータジェネレータ６０に供給することにより、車両を発進させる。

コントローラ５０は、キャパシタ２０に充電された電力が消費されたときは、バッテリ４０に充電された電力を、電力変換装置３０を介してキャパシタ２０に供給する。コントローラ１００は、この電力によってモータジェネレータ６０を駆動する。このとき、コントローラ１００はエンジン８０を運転して、エンジン８０の駆動力とモータジェネレータ６０の駆動力とで走行するハイブリッド走行としてもよい。

その後、車両が減速を要求された場合は、コントローラ１００は、モータジェネレータ６０を発電機として駆動させ、発電された電力を、インバータ１０を介してキャパシタ２０に充電する。このとき、キャパシタ２０の充電状態が満充電となった場合には、コントローラ５０は、電力変換装置３０を介してモータジェネレータ６０が発電する電力をバッテリ４０に充電するように制御してもよい。

次に、このように構成された充放電システムの動作を説明する。

バッテリ４０は、リチウムイオン二次電池によって構成されている。バッテリ４０は、高出力、高頻度の充放電や深度の大きい充放電を行うと寿命が著しく低下するため、このような充放電を避けるように制御をする必要がある。キャパシタ２０は、電気二重層キャパシタで構成されている。キャパシタ２０は、充電容量はバッテリ４０と比較して小さいものの、高出力、高頻度の充放電や深度の大きい充放電による寿命低下が起こりにくい。

このような特性により、例えば、車両の発進時など、モータジェネレータ６０に短時間内に大きな電力供給するような場合はキャパシタ２０に充電された電力を用いることが好適である。一方、キャパシタ２０が蓄積できる電力は限られるため、バッテリ４０に充電された電力を適宜利用できるような仕組みを設けることが好適である。

このように、キャパシタ２０とバッテリ４０とのそれぞれの特性に合わせた適切な電力の充放電制御を行うことにより、バッテリ４０の寿命を低下させることなく、エネルギ効率を向上することができて、車両の燃費を向上できる。

コントローラ１００は、図１のように構成された充放電システム１において、車両の状態に基づいて、モータジェネレータ６０を駆動させるかモータジェネレータ６０を発電させるかの制御を行う。コントローラ５０は、電力変換装置３０を制御して、キャパシタ２０とバッテリ４０との間で相互に電力を充放電する制御を行う。

コントローラ１００は、例えば運転者による加速、減速要求、車速及びキャパシタ２０のＳＯＣに基づいてモータジェネレータ６０の駆動及び発電を行うと共に、エンジン８０の運転も制御する。

コントローラ５０は、次に説明するように、キャパシタ２０のＳＯＣとバッテリ４０のＳＯＣとに基づいて、キャパシタ２０からバッテリ４０に充電を行うか、バッテリ４０からキャパシタ２０に充電を行うか、を制御する。

図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃは、本発明の実施形態のコントローラ５０が備える充放電マップの一例の説明図である。図２Ａは、キャパシタ２０の充放電マップを、図２Ｂ及び図２Ｃは、バッテリ４０の充放電マップを、それぞれ示す。これら図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃに示す充放電マップは、コントローラ５０の制御に用いられる。

コントローラ５０は、キャパシタ２０の電圧を取得して、キャパシタ２０のＳＯＣを算出する。同様に、バッテリ４０の電圧及び電流値を取得して、バッテリ４０のＳＯＣを算出する。

コントローラ５０は、算出されたキャパシタ２０のＳＯＣと、バッテリ４０のＳＯＣとから、この図２に示す充放電マップに基づいてキャパシタ２０とバッテリ４０との充放電を制御する。

図２Ａはキャパシタ２０の充放電マップを示す。この充放電マップによると、キャパシタ２０のＳＯＣが所定値ｘ３よりも大きい場合は、正側の出力、すなわち、キャパシタ２０に充電された電力を、電力変換装置３０を介してバッテリ４０へと出力する。また、キャパシタ２０のＳＯＣが所定値ｘ２よりも小さい場合は、負側の出力、すなわち、バッテリ４０から出力される電力を、電力変換装置３０を介してキャパシタ２０へと充電する。

なお、このキャパシタ２０の充放電マップは、ＳＯＣが所定値ｘ３から、ｘ３よりも大きいｘ４までの間は、ＳＯＣが大きくなるにつれて出力が大きくなるように設定され、所定値ｘ４となったところで出力が最大となるように設定されている。これは、キャパシタ２０とバッテリ４０との間の充放電電力がＳＯＣの変化により急変することを防ぐ目的で、一定の傾きとなるように設定されている。

同様に、キャパシタ２０の充放電マップは、ＳＯＣが所定値ｘ２から、ｘ２よりも小さいｘ１までの間は、ＳＯＣが小さくなるにつれて入力が大きくなるように設定され、所定値ｘ１となったところで入力が最大となるように設定されている。

図２Ｂ及び図２Ｃは、バッテリの充放電マップを示す。この充放電マップによると、バッテリ４０のＳＯＣが所定値Ｘ４よりも大きい場合は、正側への出力を制限する、すなわち、キャパシタ２０からバッテリ４０への充電を制限する。また、バッテリ４０のＳＯＣが所定値Ｘ１よりも小さい場合は、負側の出力を制限する。すなわち、バッテリ４０からキャパシタ２０への充電を制限する。

なお、前述のキャパシタ２０の充放電マップと同様に、図２Ｂにおいて、キャパシタ２０とバッテリ４０との間の充放電電力がＳＯＣの変化により急変することを防ぐ目的で、ＳＯＣが所定値Ｘ３から、Ｘ３よりも大きいＸ４までの間は、ＳＯＣが大きくなるにつれて出力が小さくなるように設定され、所定値Ｘ４となったところで出力を行わないように、すなわちキャパシタ２０からバッテリ４０への充電を行わないように設定されている。

同様に、図２Ｃにおいて、充放電マップは、ＳＯＣが所定値Ｘ２から、Ｘ２よりも小さいＸ１までの間は、ＳＯＣが小さくなるにつれて負側の出力が小さくなるように設定され、所定値Ｘ１となったところで出力を行わないように、すなわちバッテリ４０からキャパシタへ２０の充電を行わないように設定されている。

また、これら充放電マップの充放電量の上限値は、電力変換装置３０の最大出力として設定されている。

次に、このように構成された車両の充放電システム１の動作を説明する。

図３は、本発明の実施形態の充放電システムが搭載された車両における、運転状態とキャパシタ２０、バッテリ４０それぞれのＳＯＣの状態を示す説明図である。

この図３は、車両が停止状態から再発進し、一定時間走行後、減速の後に停車する一連の車両の状態を説明する図である。

コントローラ１００は、車両が停車状態のときに運転者による発進要求を受けた場合は車両を発進させる制御を行う（タイミングｔ１）。このとき、エンジン８０を駆動させず、キャパシタ２０に充電された電力を用いてモータジェネレータ６０を駆動させて、車両を発進させる。

車両の発進により車速が上昇し、キャパシタ２０に充電された電力がモータジェネレータ６０により消費され、キャパシタ２０のＳＯＣが徐々に低下する。

そして、キャパシタ２０のＳＯＣが、図２Ａに示す充放電マップのｘ２以下となった場合は（タイミングｔ２）コントローラ５０は、電力変換装置３０を制御して、バッテリ４０からキャパシタ２０へと充電を行う制御を行う。これにより、モータジェネレータ６０に供給される電力は、キャパシタ２０のみならずバッテリ４０に充電された電力を用いることができるようになる。なお、このとき、バッテリ４０からキャパシタ２０へと充電される電力と、キャパシタ２０からモータジェネレータ６０に供給される電力とが平衡するので、バッテリ４０の電力によりモータジェネレータ６０が駆動することと同等の制御となる。

その後、コントローラ１００は、運転者の加速要求や車速等に基づいて、モータジェネレータ６０だけでなく、エンジン８０を駆動して運転を行う（タイミングｔ３）。例えば、モータジェネレータ６０とエンジン８０との双方の駆動力による運転、又は、エンジン８０の駆動力のみによる運転を行う。

図３に示す例では、タイミングｔ３において加速状態から車速が略一定の定常走行となったことにより、このタイミングｔ３においてエンジン８０の駆動を開始して、モータジェネレータ６０及びエンジン８０の双方の駆動力により走行する。その後タイミングｔ４において、モータジェネレータ６０の駆動を停止して、エンジン８０の駆動力のみによって走行する。

モータジェネレータ６０の駆動を停止した場合は、キャパシタ２０に充電された電力は消費されなくなるが、バッテリ４０に充電された電力は電動補機７０に供給されるため、バッテリ４０のＳＯＣは徐々に低下する。

そして、バッテリ４０のＳＯＣが図示しない判定閾値を下回った場合は（タイミングｔ５）、コントローラ５０は、電力変換装置３０を制御して、キャパシタ２０からバッテリ４０へと充電を行う。これにより、キャパシタ２０に充電された電力をバッテリ４０に充電して、この電力を電動補機７０に供給することで、バッテリ４０が放電可能な容量を拡大することができる。なおこのとき、キャパシタ２０からバッテリ４０へと充電される電力と、バッテリ４０から電動補機７０に供給される電力とが平衡するので、キャパシタ２０の電力により電動補機７０が駆動することと同等の制御となる。

キャパシタ２０は、バッテリ４０に電力を供給することによってＳＯＣが低下する。その後、キャパシタ２０のＳＯＣが所定値を下回った場合は（タイミングｔ６）、コントローラ１００は、モータジェネレータ６０をエンジン８０の駆動力によって発電させて、キャパシタ２０に充電する。なお、この場合、必要に応じてキャパシタ２０からバッテリ４０への電力の供給を停止する。

次に、例えば運転者によるブレーキの踏み込みなどにより車両の減速が指示される（タイミングｔ７）。コントローラ１００は、車両が減速されることを検出すると、モータジェネレータ６０を発電機として機能させ、車両の減速に伴う駆動輪９０の回転によりモータジェネレータ６０を発電させ、この回生電力を回収する。回収された電力は、インバータ１０を介してキャパシタ２０に充電される。

モータジェネレータ６０の発電によりキャパシタ２０のＳＯＣが上昇し、図２Ａに示す充放電マップに設定された閾値ｘ３を上回った場合は（タイミングｔ８）、コントローラ５０は、キャパシタ２０に充電された電力を、電力変換装置３０を介してバッテリ４０に充電させる。その後車両が停車する（タイミングｔ９）。この場合、車両停車後は、キャパシタ２０は満充電状態となっているので、次回の車両発進時にキャパシタ２０に蓄積された電力を用いてモータジェネレータを駆動することができる。

このような制御を行うことによって、モータジェネレータ６０への電力の供給、発電電力の充電は、コントローラ１００の制御によって第１の充電装置であるキャパシタ２０によって行い、その一方で、キャパシタ２０とは別に設けられる第２の充電装置であるバッテリ４０とキャパシタ２０とでコントローラ５０の制御によって相互に充放電を行うことにより、キャパシタ２０の特性を超えて、モータジェネレータ６０への電力の供給、発電電力の充電を行うことができる。

特に、キャパシタ２０の電力をモータジェネレータ６０に供給するときに、キャパシタ２０の充電容量が不足する場合は、第２の充電装置であるバッテリ４０からキャパシタ２０に充電を行うことで、キャパシタ２０に蓄積可能な電力の下限を越えてモータジェネレータ６０を駆動することができる。また、モータジェネレータ６０からキャパシタ２０に充電するときに、キャパシタ２０の充電容量が上限へと達する場合は、キャパシタ２０からバッテリ４０へと充電を行うことで、キャパシタ２０が蓄積可能な電力の上限を超えて充電できるので、回生電力を有効に回収することができる。

キャパシタ２０は、例えば電気二重層キャパシタから構成されており、高出力、高頻度な充放電や、深度が大きな充放電が可能である一方、バッテリ４０と比較して体積辺りの充電容量が小さいという特性がある。これに対してバッテリ４０は、キャパシタ２０と比較して大きな電力を充電できる一方、高出力、高頻度な充放電や、深度が大きな充放電を行うことができないという特性がある。

本発明の実施形態は、前述のような構成及び制御によって、モータジェネレータ６０を駆動するときは、まずキャパシタ２０に充電された電力を用いる。キャパシタ２０は、高出力、高頻度な充放電や、深度が大きな充放電が可能であるので、例えば車両の発進時や加速時など、短期間に大きな電力を供給する場合や、車両が減速時など、短期間に大きな回生電力を充電する場合にキャパシタ２０を用いる。

一方で、キャパシタ２０は蓄積可能な電力の上限が小さいため、例えば加速中にキャパシタ２０に充電された電力を使い切る可能性がある。このような場合には、バッテリ４０からキャパシタ２０へと充電を行うことによって、キャパシタ２０に蓄積可能な容量を超えてモータジェネレータ６０を駆動することができる。

また、モータジェネレータ６０が発電するときには、まずキャパシタ２０に充電させるが、キャパシタ２０は蓄積可能な電力の上限が小さいため、例えば減速中にキャパシタ２０への充電が上限となってしまう可能性がある。このような場合には、キャパシタ２０からバッテリ４０へと充電を行うことによって、キャパシタ２０に蓄積可能な容量を超えてモータジェネレータ６０の回生電力を回収することができる。

従って、キャパシタ２０の容量及びバッテリ４０の容量を大型化することなく充放電制御を行うことができる。特にバッテリ４０に関しては、高出力、高頻度な充放電をカバーする必要がなくなるため、例えば出力の上限を抑えて容量を拡大したものなど、用途に特化したものを選定することができ、サイズを小型化できると共にコストを抑えることができる。また、バッテリ４０のサイズを小型化して重量を抑えることにより、車両に搭載した場合に燃費性能や積載性を向上することができる。

またさらに、コントローラ１００は、モータジェネレータ６０の駆動及び発電を、インバータ１０を介してキャパシタ２０とで行う。すなわち、充放電システム１は、充放電特性が異なるキャパシタ２０とバッテリ４０とを備えるが、インバータ１０及びこれを制御するコントローラ１００側からは単独のキャパシタ２０のみのシステムとして見なすことができる。このように構成することで、例えば、従来、充放電特性が異なる複数の充電装置を切り替えて使用する場合にはインバータ１０やコントローラ１００が制御を切り替える必要があったが、本発明の実施形態においては、この切り替えを必要とせず、コントローラ５０の制御によって単一の電池特性によるロバスト的な制御を行うことができる。

なお、本発明の実施形態では、バッテリ４０をリチウムイオン二次電池として説明したが、これに限られず、鉛蓄電池やニッケル水素電池等の他の二次電池を用いてもよい。また、キャパシタ２０は、電気二重層キャパシタに限られず、リチウムイオンキャパシタ等、他のキャパシタを用いてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する主旨ではない。

Claims (4)

1. 車両を駆動する駆動力源であって、車両の動力により発電を行う電動発電機と、
   前記電動発電機に電力を供給し、前記電動発電機が発電した電力を充電する第１の充電装置と、
   前記第１の充電装置とは異なる第２の充電装置と、
   前記第１の充電装置と前記第２の充電装置との間で互いに充放電を行う電力変換装置と、
   前記電動発電機及び前記電力変換装置の動作を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記第１の充電装置及び前記第２の充電装置の充電状態を取得し、
   前記第１の充電装置の充電状態が第１の所定値以下の場合は、前記電力変換装置を制御して、前記第２の充電装置に充電された電力を前記第１の充電装置に充電し、
   前記第１の充電装置の充電状態が第２の所定値以上の場合は、前記電力変換装置を制御して、前記第１の充電装置に充電された電力を前記第２の充電装置に充電し、
   前記第２の充電装置の充電状態が第３の所定値以下の場合は、前記電力変換装置を制御して、前記第２の充電装置に充電された電力が前記第１の充電装置に充電されることを制限し、
   前記第２の充電装置の充電状態が第４の所定値以上の場合は、前記電力変換装置を制御して、前記第１の充電装置に充電された電力が前記第２の充電装置に充電されることを制限する
   充放電システム。
2. 請求項１に記載の充放電システムにおいて、
   前記制御装置は、前記第１の充電装置の充電状態に基づいて、前記第１の充電装置に充電された電力を前記電動発電機に供給し、前記電動発電機が発電した電力を前記第１の充電装置に充電する充放電システム。
3. 請求項１又は２に記載の充放電システムにおいて、
   前記第１の充電装置はキャパシタにより構成され、
   前記第２の充電装置は二次電池により構成される充放電システム。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の充放電システムにおいて、
   車両を駆動する他の駆動力源であるエンジンを備え、
   前記制御装置は、前記電動発電機及び前記エンジンの少なくとも一方の動力により車両を駆動し、前記エンジンの駆動力により前記電動発電機を発電させる充放電システム。

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