JP6055703B2 - 電力システム - Google Patents

Description

本発明は、蓄電池を充電可能に構成された、電力システムに関する。

この種のシステムとして、例えば、特開平７−１２３５１０号公報に開示されたものが知られている。かかる公報に開示されたシステムは、電気車の充電システムであって、太陽電池モジュール（太陽光発電装置）の出力電圧が高い場合には補助電池（補機用の低圧電池）の充電を行う一方、出力電圧が低い場合にはメイン電池（動力用の高圧電池）の充電を行うように構成されている。また、かかるシステムは、前記メイン電池を入力とするＤＣ／ＤＣコンバータによっても前記補助電池を充電可能に構成されている。

特開平７−１２３５１０号公報

上述した従来の構成においては、通常、前記補助電池の充電は、当該補助電池の端子間電圧に基づいて行われる。すなわち、かかる端子間電圧が所定の程度まで低下した場合に、前記補助電池の充電が行われる。しかしながら、端子間電圧の低下の原因が、充電残量の低下ではなく、前記補助電池の劣化（異常）である場合には、充電のために当該補助電池に印加される電力が熱として無駄に消費されてしまうとともに、当該補助電池の劣化（異常）がさらに進行してしまうこととなり得る。本発明は、上記に例示した事情等に鑑みてなされたものである。

本発明の電力システムは、蓄電池を充電可能に構成されている。本発明の特徴は、かかる電力システムが、前記蓄電池の充電時における充電量と当該蓄電池の端子間電圧とに基づいて、当該蓄電池の異常判定を行う、異常判定部を備えたことにある。

かかる構成を備えた、本発明の前記電力システムにおいては、前記異常判定部は、前記蓄電池の充電時における充電量と当該蓄電池の端子間電圧とに基づいて、当該蓄電池の異常判定を行う。このため、前記蓄電池の劣化（異常）のために前記端子間電圧が低下した場合に、誤って通常の充電を行うことで無駄な電力を消費したり当該蓄電池の劣化を招来したりすることが、良好に抑制される。

本発明の適用対象の一例である電動車両の概略図。 図１に示されている車両電力システムの機能ブロック図。 図２に示されているソーラーＥＣＵの動作の一具体例を示すフローチャート。

以下、本発明を具体化した一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、変形例は、当該実施形態の説明中に挿入されると首尾一貫した一実施形態の説明の理解が妨げられるので、末尾にまとめて記載されている。

＜構成＞
図１を参照すると、電動車両１０は、駆動輪１１をモータージェネレータ１２によって回転駆動することで走行可能に構成されている。モータージェネレータ１２は、三相交流の回転電機であって、図示しない動力伝達機構を介して駆動輪１１に連結されている。すなわち、電動車両１０は、走行用電動機としてのモータージェネレータ１２によって駆動されるように構成されている。また、モータージェネレータ１２は、電動車両１０の減速時に駆動輪１１の回転を抑制する回生ブレーキ機能を奏する発電機としても動作するようになっている。また、電動車両１０には、給電により動作する補機１３が搭載されている。

電動車両１０には、車両電力システム２０が搭載されている。本発明の一実施形態である車両電力システム２０は、本発明の「太陽光発電装置」としてのソーラーパネル２１で発生した発電電力（ソーラーパネル２１の出力端子間に発生する電力）を利用可能（具体的には蓄電及び各部にて消費可能）に構成されている。

図２を参照すると、車両電力システム２０には、蓄電池としてのメイン電池２２、補機電池２３、及びサブ電池２４が設けられている。メイン電池２２は、モータージェネレータ１２に電源電力を供給するとともに、上述の減速時にモータージェネレータ１２にて発生する回生電力を蓄電可能に設けられている。本実施形態においては、メイン電池２２は、多数のニッケル水素電池等の蓄電池セルを直列及び並列に接続することで、高電圧（本実施形態においては約３００Ｖ）を出力するように構成されている。

補機電池２３は、鉛蓄電池（本実施形態においては約１２Ｖ）であって、補機１３等（後述する各種のコンバータにおける駆動制御部を含む）の動作に必要な電源電力を供給するように設けられている。サブ電池２４は、メイン電池２２及び補機電池２３における充電残量に不足が生じた際の、これらの電池の充電用の電力を供給可能に設けられている。本実施形態においては、サブ電池２４は、多数のニッケル水素電池等の蓄電池セルを直列及び並列に接続することで、メイン電池２２よりも低く補機電池２３よりも高い所定の高電圧（本実施形態においては約３０Ｖ）を出力するように構成されている。

車両電力システム２０は、上述の各蓄電池の他に、パワーコントロールユニット２５（インバータ２５ａ及び駆動制御部２５ｂを含む）と、メイン電池出力コンバータ２６（ＤＣ／ＤＣコンバータ２６ａ及び駆動制御部２６ｂを含む）と、メイン電池ＥＣＵ２９と、ソーラーＥＣＵ３０と、を備えている。

メイン電池２２は、パワーコントロールユニット２５を介して、モータージェネレータ１２に接続されている。パワーコントロールユニット２５は、上述のように、インバータ２５ａと、このインバータ２５ａの動作を制御する駆動制御部２５ｂと、を備えている。なお、本実施形態においては、駆動制御部２５ｂは、動作に必要な電源電力を補機電池２３によって供給されるようになっている。このパワーコントロールユニット２５は、車両電力システム２０（すなわち図１に示されている電動車両１０）の運転状態に応じて、モータージェネレータ１２とメイン電池２２との間での電力授受を制御するようになっている。

メイン電池２２は、メイン電池出力コンバータ２６を介して、補機１３及び補機電池２３に接続されている。すなわち、メイン電池２２は、メイン電池出力コンバータ２６の電力入力側端子に接続されている。また、補機１３及び補機電池２３は、メイン電池出力コンバータ２６の電力出力側端子に対して並列接続されている。

メイン電池出力コンバータ２６は、上述のように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６ａと、このＤＣ／ＤＣコンバータ２６ａの動作を制御する駆動制御部２６ｂと、を備えている。なお、本実施形態においては、駆動制御部２６ｂは、動作に必要な電源電力を補機電池２３によって供給されるようになっている。このメイン電池出力コンバータ２６は、メイン電池２２から出力された高電圧の電力を降圧して、補機１３にて消費したり補機電池２３を充電したりするための低電圧（約１２Ｖ）の電力を、補機１３及び補機電池２３に向けて出力するように設けられている。

メイン電池ＥＣＵ２９は、メイン電池２２の充電残量をモニターしつつパワーコントロールユニット２５の駆動を制御することで、メイン電池２２における電力授受を制御するように設けられている。なお、本実施形態においては、メイン電池ＥＣＵ２９は、動作に必要な電源電力を補機電池２３によって供給されるようになっている。

ソーラーＥＣＵ３０は、ソーラーパネル２１で発生した発電電力を電力変換することで、この電力変換後の電力に基づいて、メイン電池２２、補機電池２３及びサブ電池２４に対して給電可能に（すなわちこれらを充電可能に）構成されている。以下、本実施形態におけるソーラーＥＣＵ３０について、より詳細に説明する。

ソーラーＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータ３１と、電力変換器３２と、を備えている。本発明の「異常判定部」としてのマイクロコンピュータ３１は、車両電力システム２０の運転状態に応じて電力変換器３２の動作を制御することで、ソーラーパネル２１とソーラーＥＣＵ３０と上述の各蓄電池との間の電力の授受を制御するように設けられている。

電力変換器３２は、ソーラーパネル２１で発生した発電電力を電力変換するとともに、電力変換後の電力を出力するように設けられている。そして、メイン電池２２、補機電池２３、及びサブ電池２４は、電力変換器３２の出力によって充電されるように、電力変換器３２に接続されている。

本実施形態においては、電力変換器３２は、ソーラーパネル２１で発生した発電電力を電力変換することで生じた変換後電力をサブ電池２４に一旦蓄電するとともに、サブ電池２４から出力された電力によってメイン電池２２及び補機電池２３を充電可能に構成されている。

具体的には、電力変換器３２は、ソーラー発電コンバータ３３（ＤＣ／ＤＣコンバータ３３ａ及び駆動制御部３３ｂを含む）と、補機側コンバータ３４（ＤＣ／ＤＣコンバータ３４ａ及び駆動制御部３４ｂを含む）と、メイン電池側コンバータ３５（ＤＣ／ＤＣコンバータ３５ａ及び駆動制御部３５ｂを含む）と、を備えている。

ソーラー発電コンバータ３３は、ソーラーパネル２１で発生した発電電力を電力変換するように、電力ラインを介してソーラーパネル２１に接続されている。すなわち、ソーラーパネル２１は、ソーラー発電コンバータ３３の電力入力側端子に接続されている。ソーラー発電コンバータ３３は、上述のように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３ａと、このＤＣ／ＤＣコンバータ３３ａの動作を制御する駆動制御部３３ｂと、を備えている。なお、本実施形態においては、駆動制御部３３ｂは、動作に必要な電源電力を補機電池２３によって供給されるようになっている。

このソーラー発電コンバータ３３は、ソーラーパネル２１の動作点を、ＭＰＰＴ制御（最大電力点追従制御：ＭＰＰＴはMaximum Power Point Trackingの略）を用いて設定するようになっている。また、このソーラー発電コンバータ３３は、ＭＰＰＴ制御に基づく上述の動作点に対応する電流及び電圧の発電電力を、所定電圧（約３０Ｖ）の電力に変換して、かかる変換後の電力を出力するようになっている。

補機側コンバータ３４は、電力変換器３２の内部の電力ラインを介して、ソーラー発電コンバータ３３の電力出力側端子に接続されている。すなわち、補機側コンバータ３４の電力入力側端子には、ソーラー発電コンバータ３３が接続されている。また、補機側コンバータ３４の電力入力側端子には、サブ電池２４も接続されている。すなわち、補機側コンバータ３４の電力入力側端子には、ソーラー発電コンバータ３３とサブ電池２４とが並列接続されている。一方、補機側コンバータ３４の電力出力側端子には、補機１３及び補機電池２３が並列接続されている。

補機側コンバータ３４は、上述のように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３４ａと、このＤＣ／ＤＣコンバータ３４ａの動作を制御する駆動制御部３４ｂと、を備えている。なお、本実施形態においては、駆動制御部３４ｂは、動作に必要な電源電力を補機電池２３によって供給されるようになっている。この補機側コンバータ３４は、ソーラー発電コンバータ３３又はサブ電池２４からの出力を電力変換（具体的には降圧）して、補機電池２３の充電のための低電圧（約１２Ｖ）の電力を補機電池２３に向けて出力するように設けられている。

ソーラー発電コンバータ３３の電力出力側端子と補機側コンバータ３４の電力入力側端子との間の、電力変換器３２の内部の電力ラインには、サブ電池２４が接続されている。すなわち、サブ電池２４は、ソーラー発電コンバータ３３の出力によって充電可能に、ソーラー発電コンバータ３３に接続されている。また、サブ電池２４は、ソーラー発電コンバータ３３に対して、補機側コンバータ３４と並列に接続されている。

さらに、ソーラー発電コンバータ３３の電力出力側端子と補機側コンバータ３４の電力入力側端子との間の、上述の電力ラインには、メイン電池側コンバータ３５の電力入力側端子が接続されている。すなわち、メイン電池側コンバータ３５の電力入力側端子は、電力ラインを介して、ソーラー発電コンバータ３３及びサブ電池２４に接続されている。

また、メイン電池側コンバータ３５の電力出力側端子は、電力ラインを介してメイン電池２２に接続されている。すなわち、メイン電池２２は、メイン電池側コンバータ３５の出力によって充電されるように、メイン電池側コンバータ３５に接続されている。

メイン電池側コンバータ３５は、上述のように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３５ａと、このＤＣ／ＤＣコンバータ３５ａの動作を制御する駆動制御部３５ｂと、を備えている。なお、本実施形態においては、駆動制御部３５ｂは、動作に必要な電源電力を補機電池２３によって供給されるようになっている。このメイン電池側コンバータ３５は、ソーラー発電コンバータ３３又はサブ電池２４の出力を電力変換（具体的には昇圧）して、メイン電池２２の充電用の高電圧（約３００Ｖ）の電力をメイン電池２２に向けて出力するように設けられている。

ソーラーパネル２１と電力変換器３２（ソーラー発電コンバータ３３の電力入力側端子）との間には、ソーラー電流センサ４１ａ及びソーラー電圧センサ４１ｂが設けられている。ソーラー電流センサ４１ａは、ソーラーパネル２１で発生した発電電力における電流に対応する出力を生じるようになっている。ソーラー電圧センサ４１ｂは、上述の発電電力における電圧に対応する出力を生じるようになっている。

補機電池２３には、補機電池電流センサ４３ａと、補機電池電圧センサ４３ｂと、補機電池温度センサ４３ｃと、が設けられている。補機電池電流センサ４３ａは、補機電池２３の端子電流に対応する出力を生じるようになっている。補機電池電圧センサ４３ｂは、補機電池２３の端子間電圧に対応する出力を生じるようになっている。補機電池温度センサ４３ｃは、補機電池２３の温度に対応する出力を生じるようになっている。

同様に、サブ電池２４には、サブ電池電流センサ４４ａと、サブ電池電圧センサ４４ｂと、サブ電池温度センサ４４ｃと、が設けられている。サブ電池電流センサ４４ａは、サブ電池２４の端子電流に対応する出力を生じるようになっている。サブ電池電圧センサ４４ｂは、サブ電池２４の端子間電圧に対応する出力を生じるようになっている。サブ電池温度センサ４４ｃは、サブ電池２４の温度に対応する出力を生じるようになっている。

マイクロコンピュータ３１は、上述の各センサの出力に基づいて、補機電池２３及びサブ電池２４の状態をモニターするとともにソーラー発電コンバータ３３、補機側コンバータ３４、及びメイン電池側コンバータ３５の動作を制御するように設けられている。具体的には、本実施形態においては、マイクロコンピュータ３１は、ＲＥＡＤＹ−ＯＦＦ状態であって且つ発電電力が所定以上の場合の、補機電池２３の充電時の充電量と端子間電圧とに基づいて、補機電池２３の異常判定を行うようになっている。ここで、「ＲＥＡＤＹ−ＯＦＦ状態」とは、メイン電池２２からの放電が禁止された状態であって、すなわち電動車両１０が走行不能な状態（当該電動車両１０がいわゆるハイブリッド自動車である場合にはハイブリッドシステム停止状態すなわちイグニッションスイッチＯＦＦ状態）である。

＜動作＞
次に、本実施形態の構成における動作の概要、及び本実施形態の構成による作用・効果について説明する。

マイクロコンピュータ３１は、メイン電池ＥＣＵ２９から、メイン電池２２における充電残量を含む充放電状態を取得する。また、マイクロコンピュータ３１は、上述の各センサの出力に基づいて、補機電池２３及びサブ電池２４における充電残量を取得（推定）する。さらに、マイクロコンピュータ３１は、ソーラー電流センサ４１ａ及びソーラー電圧センサ４１ｂの出力に基づいて、ソーラーパネル２１の動作点をＭＰＰＴ制御する。

そして、マイクロコンピュータ３１は、メイン電池ＥＣＵ２９と協働することで、電力分配を適宜行う。かかる電力分配は、ソーラーパネル２１における発電状況、メイン電池２２、補機電池２３及びサブ電池２４における充放電状態及び充電残量、モータージェネレータ１２及び補機１３における運転状態、等に応じて行われる。この電力分配に際しては、電力変換器３２内の各種のコンバータや、メイン電池ＥＣＵ２９が駆動される。

この電力分配の態様としては、以下のものがある。（１）ソーラーパネル２１から補機１３、メイン電池２２、補機電池２３、及びサブ電池２４のうちの少なくともいずれか１つへの電力供給。（２）メイン電池２２から補機１３及び／又は補機電池２３への電力供給。（３）サブ電池２４から補機１３、メイン電池２２、及び補機電池２３のうちの少なくともいずれか１つへの電力供給。（４）補機電池２３から補機１３への電力供給。（５）パワーコントロールユニット２５を介してのモータージェネレータ１２とメイン電池２２との間の電力授受。

以下、補機電池２３の充電処理について詳述すると、補機電池２３の充電残量が所定程度まで低下することで、端子間電圧が所定電圧以下に低下すると、補機電池２３の充電が開始される。この補機電池２３の充電態様は、上述のように、ソーラーパネル２１における発電状況と、電動車両１０の運転状態と、に応じて変化する。

具体的には、ソーラーパネル２１で発生した発電電力が、ソーラー発電コンバータ３３及び補機側コンバータ３４によって電力変換されて、補機電池２３の充電に供され得る。また、サブ電池２４の放電による出力電力が補機側コンバータ３４によって電力変換されて、補機電池２３の充電に供され得る。この２つの態様は、状況に応じて、一方あるいは双方同時に生じる。一方、これらのような、電力変換器３２の出力による充電が行われない場合は、メイン電池２２の放電による出力電力がメイン電池出力コンバータ２６によって電力変換されて、補機電池２３の充電に供され得る。

ところで、補機電池２３の端子間電圧の低下の原因が、充電残量の低下ではなく、電池劣化（異常）である場合があり得る。かかる場合に補機電池２３の充電動作が行われると、充電のために補機電池２３に印加される電力が熱として無駄に消費されてしまうとともに、補機電池２３の劣化（異常）がさらに進行してしまうこととなり得る。

そこで、本実施形態においては、マイクロコンピュータ３１は、補機電池２３の充電時における充電量と補機電池２３の端子間電圧とに基づいて、補機電池２３の異常判定を行う。これにより、補機電池２３の劣化（異常）のために端子間電圧が低下した場合に、誤って通常の充電を行うことで無駄な電力を消費したり補機電池２３の劣化を招来したりすることが、良好に抑制される。

但し、上述のように、補機電池２３の充電条件は、ソーラーパネル２１における発電状況や電動車両１０の運転状態に応じて様々に変化する。このため、状況によっては、補機電池２３の充電時における充電量の算出に誤差が生じやすくなる。

そこで、本実施形態においては、マイクロコンピュータ３１は、ＲＥＡＤＹ−ＯＦＦ状態であって且つ発電電力が所定以上の場合の、補機電池２３の充電時の充電量と端子間電圧とに基づいて、補機電池２３の異常判定を行う。この場合、電力授受状態が比較的単純化されている。したがって、補機電池２３の充電時における充電量の算出が精度よく行われ、以て異常判定の精度が向上する。

次に、本実施形態の構成における上述の動作の一例について、図３のフローチャートを用いて説明する。なお、図示されたフローチャートにおいては、「ステップ」は「Ｓ」と略記されている。

最初に、ＲＥＡＤＹ−ＯＦＦ状態であるか否かが判定される（ステップ３１０）。ＲＥＡＤＹ−ＯＮ状態である場合（ステップ３１０＝ＮＯ）、異常判定は行われない。このため、以下、ＲＥＡＤＹ−ＯＦＦ状態であるものとして（ステップ３１０＝ＹＥＳ）、説明を続行する。

また、ソーラーパネル２１で発生した発電電力が所定以上であるか否かが判定される（ステップ３２０）。発電電力が所定以上ではない場合（ステップ３２０＝ＮＯ）、異常判定は行われない。このため、以下、発電電力が所定以上であるものとして（ステップ３２０＝ＹＥＳ）、説明を続行する。

次に、補機電池２３の充電量の積算値が、充電時に補機電池２３に流入した電流量（これは補機電池電流センサ４３ａの出力に基づいて得られる）を用いて算出される（ステップ３３０）。なお、かかる積算値は、補機電池２３の充電が所定時間停止したり、補機電池２３の放電が行われたりすると、クリアされるものとする。

続いて、充電量積算値が所定以上であるか否かが判定される（ステップ３４０：フローチャートでは図示の単純化のために「充電量積算値」は単に「充電量」と略記されている。）。充電量積算値が所定未満である場合には（ステップ３４０＝ＮＯ）、異常判定は行われない。このため、以下、充電量積算値が所定以上であるものとして（ステップ３４０＝ＹＥＳ）、説明を続行する。

充電量積算値が所定以上である場合、補機電池２３が正常であれば、充電量積算値に対応して端子間電圧が所定程度上昇しているはずである。そこで、補機電池２３の端子間電圧の上昇が所定の基準値以下であるか否かが判定される（ステップ３５０）。この基準値は、充電量積算値と充電残量（ＳＯＣ）とをパラメータとするマップ（ルックアップテーブル）に基づいて設定される。

補機電池２３の端子間電圧の上昇が基準値以下ではない場合（ステップ３５０＝ＮＯ）、補機電池２３は正常であると判断（推定）される。一方、補機電池２３の端子間電圧の上昇が基準値以下である場合（ステップ３５０＝ＹＥＳ）、補機電池２３は異常であると判断（推定）される。そこで、この場合、補機電池２３の充電が停止（禁止）され（ステップ３６０）、補機電池２３の異常を報知する信号が出力される（ステップ３７０）。

＜変形例＞
以下、代表的な変形例について、幾つか例示する。以下の変形例の説明において、上述の実施形態にて説明されているものと同様の構成及び機能を有する部分に対しては、上述の実施形態と同様の符号が用いられ得るものとする。そして、かかる部分の説明については、技術的に矛盾しない範囲内において、上述の実施形態における説明が適宜援用され得るものとする。もっとも、言うまでもなく、変形例とて、以下に列挙されたものに限定されるものではない。また、上述の実施形態の一部、及び、複数の変形例の全部又は一部が、技術的に矛盾しない範囲内において、適宜、複合的に適用され得る。

本発明は、上述した具体的な装置構成に限定されない。例えば、本発明は、電気自動車及びハイブリッド自動車のいずれに対しても好適に適用可能である。もっとも、本発明は、車載システムに限定されない。また、各電池やコンバータの出力電圧も、上述の具体例から適宜変更され得る。また、メイン電池ＥＣＵ２９、並びに駆動制御部２５ｂ，２６ｂ，３３ｂ，３４ｂ，及び３５ｂのうちの一部は、補機電池２３以外を電源としていてもよい。さらに、補機１３への電源電力供給は、補機電池２３のみから行われてもよい。

その他、特段に言及されていない変形例についても、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、本発明の技術的範囲に含まれることは当然である。また、本発明の課題を解決するための手段を構成する各要素における、作用・機能的に表現されている要素は、上述の実施形態や変形例にて開示されている具体的構成及びその均等物の他、当該作用・機能を実現可能ないかなる構成をも含む。

１０…電動車両、１２…モータージェネレータ、２０…車両電力システム、２１…ソーラーパネル、２２…メイン電池、２３…補機電池、２４…サブ電池、３０…ソーラーＥＣＵ、３１…マイクロコンピュータ、３２…電力変換器、３３…ソーラー発電コンバータ、３４…補機側コンバータ、３５…メイン電池側コンバータ。

Claims (3)

1. 走行用電動機（１２）によって駆動される電動車両（１０）に搭載されているとともに、太陽光発電装置（２１）で発生した発電電力を蓄電可能であり、蓄電池を充電可能に構成された、電力システム（２０）であって、
   前記蓄電池の充電時における充電量と当該蓄電池の端子間電圧とに基づいて、当該蓄電池の異常判定を行うように設けられた、異常判定部（３１）と、
   前記発電電力を電力変換するとともに電力変換後の電力を出力するように設けられた、電力変換器（３２）と、
   少なくとも前記電力変換器の出力によって充電されるように当該電力変換器に接続された前記蓄電池であって、前記電動車両の補機（１３）の動作に必要な電源電力を供給するように設けられた、補機電池（２３）と、
   前記電力変換器の出力によって充電されるように当該電力変換器に接続されていて、前記走行用電動機に電力を供給するとともに前記補機電池の充電用の電力を当該補機電池に供給するように設けられた、メイン電池（２２）と、
   を備え、
   前記異常判定部は、前記補機電池の異常判定を行うように設けられたことを特徴とする、電力システム。
2. 前記異常判定部は、前記メイン電池からの放電が禁止されたＲＥＡＤＹ−ＯＦＦ状態であって且つ前記発電電力が所定以上の場合の、前記充電量と前記端子間電圧とに基づいて、前記補機電池の異常判定を行うように設けられたことを特徴とする、請求項１に記載の電力システム。
3. 前記電力変換器の出力によって充電されるように当該電力変換器に接続されていて、前記メイン電池の充電用の電力を前記電力変換器に供給するように設けられた、サブ電池（２４）をさらに備えたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の電力システム。

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