JP6384367B2 - 電源システム - Google Patents

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Description

本発明は、二電源を備える電源システムに関する。
従来、ハイブリッド自動車の主機を駆動するインバータ等の高圧負荷に直流電力を供給する電源システムにおいて、短時間に大電力を出力する出力型の電源と、長時間にわたって小電力を出力する容量型の電源との二電源を備えるものが知られている。例えば、特許文献１に記載の電源システム（電源装置）は、瞬発的に大電力を出力可能な瞬発性蓄電池と、持続的に一定の電圧を出力可能な持続性蓄電池とが並列に接続されている。
特開平１１−２５２７１１号公報
キャパシタに代表される瞬発性蓄電池は蓄電量による電圧の変化が大きい。特許文献１の電源システムは、持続性蓄電池と瞬発性蓄電池とから同等の電圧を共通の出力端子に印加する構成を前提としており、第２の実施の形態として、瞬発性蓄電池の電圧変動を抑制するため、瞬発性蓄電池と出力端子との間に電流制御装置を設けている。
その結果、出力端子を介して負荷に供給される最大出力は電流制御装置の出力能力で規制されるため、瞬発性蓄電池の応答性が低下することとなる。また、せっかく瞬発性蓄電池が出力した大電力を負荷に供給しようとすると、電流制御装置の要求出力を大きくせざるを得ない。したがって、電流制御装置が大型化し、コストが上昇するという問題がある。
さらに特許文献１の電源システムでは、負荷に対する電流方向が入れ替わる場合、すなわち電流がゼロ点を跨ぐ高出力高周波電力を変圧する場合、電流制御装置の通過電流が大きくなり、電力効率が低下する。
加えて、瞬発性蓄電池の容量が不足した場合の処置や、主機駆動装置等の高圧負荷側の制御装置に対し電源システム側の情報を通知する構成について、特許文献１には何ら言及されていない。したがって、高圧負荷の要求特性に応じて、各電源の能力を適切に反映した効率的な電力供給制御を十分に実行することができない。
本発明はこのような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、二電源を備える電源システムにおいて、高圧負荷の要求特性に応じて、各電源の能力を適切に反映した効率的な電力供給制御を行う電源システムを提供することにある。
本発明の電源システムは、高圧電源、低圧電源、変電機及び変電機制御装置を備える。
高圧電源は、出力型電源で構成され、主機としての回転機を駆動する回転機システムに直流電力を供給可能である。低圧電源は、容量型電源で構成され、主機以外の補機負荷に直流電力を供給可能である。変電機は、高圧電源と低圧電源とを双方向に変圧可能に接続する。
変電機制御装置は、低圧電源の容量が適正範囲から外れたとき、高圧電源により補完し、高圧電源の容量または入出力が適正範囲から外れたとき、低圧電源により補完するように変電機を制御し、且つ、回転機システムを制御する回転機制御装置に対し、高圧電源及び低圧電源の入出力能力の合計値を通知する。
ここで、「入出力が適正範囲から外れたとき」とは、出力が不足するとき、及び、入力が過剰となるときを含む。
高圧負荷である回転機システムとしては、主機としての回転機を駆動するインバータ等が該当する。また、回転機システムの駆動対象である「主機」とは、ハイブリッド自動車の駆動力源として用いられる回転機に限らず、当該電源システムの主要な電力供給対象となる装置を指す。主機以外の補機についても、車両に搭載される装置に限らず、低圧電源が供給する電力で駆動される装置全般を指す。本明細書では、当該電源システムの負荷であることを明示するため、補機を「補機負荷」という。
本発明では、低圧電源の容量が適正範囲から外れたとき、高圧電源により補完し、高圧電源の容量または入出力が適正範囲から外れたとき、低圧電源により補完するように変電機を制御するため、各電源の長所を生かしつつ、短所を補うことができる。したがって、電源仕様を過剰に大きくすることなく、高圧負荷の要求特性に応じて、出力と容量とのバランスを適正化することができる。よって、小型で低コストの電源システムを提供することができる。
また、変電機制御装置は、回転機制御装置に対し、高圧電源と低圧電源との入出力能力の合計値を通知する。そして回転機制御装置は、通知された合計値をガード値（ＰＳｏｕｔ、ＰＳｉｎ）として回転機システムの要求電力（ＰＩｒｅｑ）を制限し、供給目標電力（ＰＩｔｇｔ）を演算する。さらに変電機制御装置は、回転機制御装置が演算した供給目標電力に基づいて変電目標電力（ＰＤＣｔｇｔ）を演算し、電力変換を実行する。
このように、本発明では、変電機制御装置と回転機制御装置とが相互に情報を交換するため、各電源の能力を適切に反映した効率的な電力供給制御を行うことができる。
具体的に変電機制御装置は、回転機の力行動作により高圧電源の容量または電圧が所定値よりも低下したとき、低圧電源から高圧電源に充電するように変電機を制御し、回転機の回生動作により高圧電源の容量または電圧が所定値よりも上昇したとき、高圧電源から低圧電源に放電するように変電機を制御する。
さらに、変電機制御装置は、高圧電源の電力変化に基づいて将来の要求電力を予測し、高圧電源の出力が不足すると予測されたとき、予め低圧電源から高圧電源に充電するように変電機を制御し、高圧電源の入力が過剰となると予測されたとき、予め高圧電源から低圧電源に放電するように変電機を制御する。
電源システムの高圧電源は、比較的大電力を出力可能な出力型電源で構成され、低圧電源は、比較的容量の大きい容量型電源で構成される。
これにより、ハイブリッド自動車等における高出力且つ低容量の要求仕様に対し最適な電源仕様を提供することができる。よって、電源への高頻度な入出力による充放電ロス低減、回転機との電力入出力向上による内燃機関の熱効率向上、回転機からの入力向上による回生効率の向上効果により、システム全体でのエネルギ効率が向上する。
本発明の第１実施形態による電源システムの全体構成図。 図１の電源システムの制御ブロック図。 （ａ）各種電源のラゴンプロット。（ｂ）本発明が目標とする電源仕様を説明する容量と出力との関係図。 比較例の電源システムの全体構成図。 図１の電源システムによる通常処理のメインフローチャート。 （ａ）低圧容量と入出力制限値との関係を示すマップ。（ｂ）高圧容量と入出力制限値との関係を示すマップ。 高圧電源の開回路電圧と高圧容量との関係を示すマップ。 低圧容量と低圧電源要求電力との関係を示すマップ。 高圧容量対低圧容量の比と変電要求電力との関係を示すマップ。 高圧電源要求電力の予測を説明する図。 図１の電源システムによる失陥時処理のメインフローチャート。 図１１の低圧内部抵抗判定のサブフローチャート。 図１１の高圧内部抵抗判定のサブフローチャート。 本発明の第２実施形態による電源システムの全体構成図。
以下、本発明の複数の実施形態による電源システムを図面に基づいて説明する。複数の実施形態、及び比較例の構成において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
以下の実施形態の電源システムは、内燃機関、及び、主機としての回転機（モータジェネレータ）を動力源とするハイブリッド自動車に搭載され、回転機を駆動する回転機システムに高圧の直流電力を供給し、且つ、各種の補機負荷に低圧の直流電力を供給する電源システムである。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の電源システムについて、図１〜図１３を参照して説明する。
最初に、電源システムの全体構成について図１を参照する。電源システム１０は、高圧負荷としての回転機システム６と、低圧負荷としての補機負荷２との間に設けられる。
回転機システム６は、車両の動力源である主機としての回転機を駆動するシステムであり、典型的には、直流電力を交流電力に変換し回転機に供給するインバータが該当する。システムによっては、インバータの入力側に、更に昇圧コンバータが設けられてもよい。
補機負荷２は、電動パワーステアリング装置、パワーウインドウ装置、ブロワ、ファン等、主機以外の各種機能を担う装置である。
電源システム１０は、高圧電源５、低圧電源３、変電機４０、及び、変電機制御装置７０（図２参照）を含む。
高圧電源５は、回転機システム６に直結され、回転機システム６に例えば１００Ｖを超える高圧電力を供給可能である。低圧電源３は、補機負荷２に例えば１４Ｖ程度の低圧電力を供給可能である。第１実施形態では、高圧電源５は、ＬｉＣ（リチウムイオンキャパシタ）等の出力型電源で構成され、低圧電源３は、ＬｉＢ（リチウムイオン二次電池）等の容量型電源で構成されている。
変電機４０は、低圧電源３と高圧電源５とを双方向に変圧可能に接続する直流電力変換装置である。変電機４０は、一般にＤＣ−ＤＣコンバータ（ＤＤＣ）と呼ばれる。
変電機４０は、中圧部（ＭＶ）４６と高圧部（ＨＶ）４８との間に変圧器４７が設けられている。中圧部４６の電圧は、概ね２４〜６０Ｖの範囲であり、例えば４８Ｖである。高圧部４８の電圧は、６０Ｖを超え数百Ｖまでの範囲であり、典型的には１００Ｖを超える。また、補機負荷２には例えば１４Ｖ程度の低圧の電圧が供給される。そのため本実施形態の変電機４０は、中圧部４６の電圧を降圧して補機負荷２に供給する降圧コンバータ４２が併設されている。
以下、図１の構成における電力収支について言及するにあたり、各出力変数の符号を矢印の向きで定義する。図１に示すように、補機負荷２側から回転機システム６側に向かう電力の符号（＝矢印の向き）を正とし、その逆向きの電力の符号を負とする。
各部における電力について、補機負荷２が入出力する電力をＰｏ、低圧電源３が入出力する電力をＰＬ、高圧電源５が入出力する電力をＰＨ、変電機４０が変電する目標電力をＰＤＣｔｇｔ、回転機システム６へ供給する目標電力をＰＩｔｇｔというように記す。
回転機の力行動作時や低圧電源３への電力供給時に高圧電源５が放電するときの高圧出力ＰＨｏｕｔ、及び、補機負荷２の駆動時や高圧電源５への電力供給のために低圧電源３が放電するときの低圧出力ＰＬｏｕｔは、０または正の値で表される（ＰＨｏｕｔ≧０、ＰＬｏｕｔ≧０）。
一方、回転機の回生動作時や低圧電源３からの電力供給時に高圧電源５が充電されるときの高圧入力ＰＨｉｎ、及び、補機負荷２の出力や高圧電源５からの電力供給により低圧電源３が充電されるときの低圧出力ＰＬｉｎは、０または負の値で表される（ＰＨｉｎ≦０、ＰＬｉｎ≦０）。
次に、電源システム１０の制御構成について、図２を参照して説明する。出力変数の記載において、対となる出力及び入力を、適宜「＊ｏｕｔ／＊ｉｎ（＊は各変数）」のように記載する。
変電機制御装置７０は、低圧電源３及び高圧電源５にそれぞれ対応する低圧演算装置７３、高圧演算装置７５、並びに、変電機４０に対応する変電演算装置７４を有している。
変電演算装置７４は、低圧演算装置７３から低圧電源３の入出力制限値ＰＬｏｕｔ／ＰＬｉｎを取得し、高圧演算装置７５から高圧電源５の入出力制限値ＰＨｏｕｔ／ＰＨｉｎを取得する。
回転機制御装置８は、回転機システム６のインバータの駆動を制御することにより回転機の通電を制御する制御装置であり、いわゆるＭＧ−ＥＣＵに相当する。以下、回転機システム６の駆動電力を「高圧動力ＰＩ」という。回転機制御装置８は、高圧動力の要求電力ＰＩｒｅｑを演算し、さらに、高圧動力への目標出力ＰＩｔｇｔを演算する。
電源システム１０は、変電機制御装置７０と回転機制御装置８との間で、下記のように演算値を相互に通信しつつ処理を実行することを特徴とする。ここでは処理の概要のみを記載し、各演算の詳細については後述する。
（Ｉ）変電機制御装置７０から回転機制御装置８に対し、入出力制限値ＰＬｏｕｔ／ＰＬｉｎ、ＰＨｏｕｔ／ＰＨｉｎ、及び、補機出力Ｐｏに基づき、式（１．１）、（１．２）により算出した電源システム出力ガード値ＰＳｏｕｔ、及び電源システム入力ガード値ＰＳｉｎを通知する。
ＰＳｏｕｔ＝ＰＨｏｕｔ＋ＰＬｏｕｔ＋Ｐｏ ・・・（１．１）
ＰＳｉｎ ＝ＰＨｉｎ ＋ＰＬｉｎ ＋Ｐｏ ・・・（１．２）
（ＩＩ）回転機制御装置８は、高圧動力の要求電力ＰＩｒｅｑ、及び、通知されたガード値ＰＳｏｕｔ／ＰＳｉｎに基づき、高圧動力の供給目標電力ＰＩｔｇｔを演算する。
（ＩＩＩ）変電機制御装置７０は、高圧動力の供給目標電力ＰＩｔｇｔを回転機制御装置８から取得し、変電機４０の目標出力ＰＤＣｔｇｔを演算する。そして、演算結果に基づき低圧電源３と高圧電源５との間で電力を変換する。
ここで、本発明の基本的な考え方について、図３を参照して説明する。
図３（ａ）は、電源として用いられるキャパシタまたは電池の容量密度と出力密度との関係を示すラゴンプロットである。短破線領域の電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）やＬｉＣは、容量密度が低く出力密度が高い。長破線領域の出力型ＬｉＢやニッケル金属水素化物電池（ＮｉＭＨ）は、容量密度、出力密度が中程度である。一点鎖線領域の容量型ＬｉＢは、容量密度が高く出力密度が低い。
このように、電源種によって出力／容量の比が決まるため、要求される出力／容量比と一致するように電源特性を設定すれば、ムダのない電源仕様を実現することができ、電源システムの小型化やコスト低減につながる。そこで、本発明では、二電源協調による出力／容量比の適正化により、電源仕様の最小化を図る。
図３（ｂ）は、本発明が目標とする電源仕様を説明する容量と出力との関係図である。ここでは、図１における低圧電源３が容量型ＬｉＢであり、高圧電源５がＬｉＣである例を想定して説明する。
まず、本発明と対比する比較例の電源システムについて図４を参照する。比較例の電源システム１９では、変電機４０９に、例えば１４Ｖの補機用電池３９に接続された低圧部（ＬＶ）４４と、例えば１００Ｖ超の高圧電源５９に接続された高圧部（ＨＶ）４８とが変圧器４９を介して接続されている。高圧電源５９は、出力型ＬｉＢにより構成されている。この電源システム１９では、要求される出力／容量比を得るために長破線で示す仕様の電源を選定する必要があるため、容量が過剰（オーバースペック）となる。
それに対し本発明では、短破線で示すＬｉＣ、及び、一点鎖線で示す容量型ＬｉＢの二電源を、それぞれの長所を生かしつつ併用する。つまり、高出力を生成可能なＬｉＣをベースとして回転機システム６に電力を供給しつつ、ＬｉＣの容量不足分を容量型ＬｉＢで補う。
ところで、特許文献１（特開平１１−２５２７１１号公報）の従来技術では、瞬発性蓄電池と出力端子との間に電流制御装置を設けている。このように、ＬｉＣと回転機システム６との間に変電装置を介在させると、回転機システム６への供給可能な最大出力は変電装置の出力能力で規制されるため、ＬｉＣの長所である応答性を低下させることとなる。したがって、ＬｉＣの高圧電源５は、回転機システム６に直結されることが好ましい。
一方、ＬｉＣの高圧電源５の容量不足を解消するため、容量型ＬｉＢの低圧電源３から、変電機４０を介してＬｉＣに給電し、ＬｉＣの容量（ＳＯＣ）を調整する。
図３（ｂ）において、ＬｉＣの容量Ｅｃ、容量型ＬｉＢの容量Ｅｂ、及び要求容量Ｅｒの関係は、「Ｅｃ＋Ｅｂ≧Ｅｒ」となるように設定される。
次に、変電機制御装置７０及び回転機制御装置８において実行される通常処理について、図５のフローチャート、及び、図６〜図１０の特性図（マップ）を参照して説明する。以下のフローチャートの説明で記号Ｓは「ステップ」を表す。
ここで、「通常処理」とは、後述の「失陥時処理」に対し、低圧電源３及び高圧電源５がいずれも正常であるときの処理である。通常処理は、回転機システム６または補機負荷２の少なくとも一方が動作している間、所定の周期で繰り返される。本実施形態では、主に車両のアイドリング時または走行時に電源システム１０から回転機システム６に効率的に電力を供給することを目的とする。
変電機制御装置７０は、まず、現在の低圧電源３の容量（以下、「低圧容量」という）ＥＬ、及び、高圧電源５の容量（以下、「高圧容量」という）ＥＨを推定し、入出力制限値ＰＬｏｕｔ／ＰＬｉｎ、ＰＨｏｕｔ／ＰＨｉｎを演算する。ここで、低圧容量ＥＬ、高圧容量ＥＨは、いわゆるＳＯＣ（蓄電量）に相当する。
低圧電源３の入出力制限値ＰＬｏｕｔ／ＰＬｉｎは低圧容量ＥＬに応じて変化し、高圧電源５の入出力制限値ＰＨｏｕｔ／ＰＨｉｎは高圧容量ＥＨに応じて変化する。以下、出力変数の依存関係について、適宜、変数記号の後の（ ）内に、その変数が依存する変数を関数の引数として記載することにより表す。
Ｓ２０１では、低圧容量ＥＬを推定する。また、別途、低圧電源３の温度Ｔの情報を取得する。
Ｓ２０２では、図６（ａ）のマップを用いて、低圧容量ＥＬと温度Ｔとに依存する低圧電源３の入出力制限値ＰＬｏｕｔ（ＥＬ、Ｔ）／ＰＬｉｎ（ＥＬ、Ｔ）を演算する。入力制限値ＰＬｉｎは、いわゆる充電許容電力Ｗｉｎに相当し、出力制限値ＰＬｏｕｔは、いわゆる放電許容電力Ｗｏｕｔに相当する。図６（ａ）に示す通り、ＥＬ≧ＥＬｍａｘのとき、ＰＬｉｎ＝０とし、過充電を防止する。また、ＥＬ≦ＥＬｍｉｎのとき、ＰＬｏｕｔ＝０とし、過放電を防止する。
同様に、Ｓ４０１では、高圧容量ＥＨを推定する。また、別途、高圧電源５の温度Ｔの情報を取得する。
Ｓ４０２では、図６（ｂ）のマップを用いて、高圧容量ＥＨと温度Ｔとに依存する高圧電源５の入出力制限値ＰＨｏｕｔ（ＥＨ、Ｔ）／ＰＨｉｎ（ＥＨ、Ｔ）を演算する。入力制限値ＰＨｉｎは、いわゆる充電許容電力Ｗｉｎに相当し、出力制限値ＰＨｏｕｔは、いわゆる放電許容電力Ｗｏｕｔに相当する。図６（ｂ）に示す通り、ＥＨ≧ＥＨｍａｘのとき、ＰＨｉｎ＝０とし、過充電を防止する。また、ＥＨ≦ＥＨｍｉｎのとき、ＰＨｏｕｔ＝０とし、過放電を防止する。
ところで、図７に示すように、高圧容量ＥＨは、高圧電源５の開回路電圧ＯＣＶ＿Ｈの関数として表され、開回路電圧ＯＣＶ＿Ｈは、高圧電源５の電圧ＶＨ、内部抵抗ＲＨ、及び電流ＩＨを用いて、「ＯＣＶ＿Ｈ＝ＶＨ−ＲＨ×ＩＨ」と規定される。この関係から、高圧電源５の状態を、容量ＥＨに代えて電圧ＶＨに基づいて判断することもできる。
続いて、Ｓ５０２では、低圧電力ＰＬに依存する低圧電源要求電力ＰＬｒｅｑ（ＰＬ）を演算する。低圧電源要求電力ＰＬｒｅｑは、電源システム１０における最大蓄電装置である低圧電源３の容量ＥＬ（ＳＯＣ）に応じた入出力要求を示す。
図８において、ＳＯＣ＝０％に相当する低圧容量ＥＬをＥＬ0、ＳＯＣ＝１００％に相当する低圧容量ＥＬをＥＬ100とする。また、補機最大出力の絶対値をＰｏｍａｘ、必要持続時間をＴｃＬとする。
補機負荷２の駆動を維持可能な低圧容量ＥＬの最小値ＥＬｍｉｎ＿Ｌｄ及び最大値ＥＬｍａｘ＿Ｌｄは、式（２．１）、（２．２）で表される。
ＥＬｍｉｎ＿Ｌｄ＝ＥＬ0 ＋Ｐｏｍａｘ×ＴｃＬ ・・・（２．１）
ＥＬｍａｘ＿Ｌｄ＝ＥＬ100−Ｐｏｍａｘ×ＴｃＬ ・・・（２．２）
変電機制御装置７０は、低圧容量ＥＬが最小値ＥＬｍｉｎ＿Ｌｄを下回る場合、低圧電源３への充電を要求し、低圧容量ＥＬが最大値ＥＬｍａｘ＿Ｌｄを上回る場合、低圧電源３からの放電を要求する。
Ｓ５０３では、変電機制御装置７０は、回転機制御装置８に対し、「電源システム１０の全電源の能力」に相当する「高圧電源５及び低圧電源３の入出力能力の合計値に補機出力Ｐｏを加えた値」を「高圧動力（回転機システム６）の電力制限」として通知する。すなわち、上述の式（１．１）により算出される電源システム出力ガード値ＰＳｏｕｔを放電制限として通知し、式（１．２）により算出される電源システム入力ガード値ＰＳｉｎを充電制限として通知する。
Ｓ５０４では、高圧容量ＥＨ及び低圧容量ＥＬに依存する変電要求電力ＰＤｒｅｑ（ＥＨ、ＥＬ）を演算する。図９は、低圧容量ＥＬに対する高圧容量ＥＨの比である容量比Ｘ＝（ＥＨ／ＥＬ）を横軸とし、変電要求電力ＰＤｒｅｑを縦軸としたマップである。
変電機制御装置７０は、容量比Ｘが基準値Ｘｒｅｆに近づくように変電目標電力ＰＤＣｔｇｔを決定する。
変電機制御装置７０は、低圧容量ＥＬに比べ高圧容量ＥＨが小さく、容量比Ｘが閾値Ｘｍｉｎよりも小さいとき、変電要求電力ＰＤｒｅｑを正の値に設定し、低圧電源３から高圧電源５へ充電する。一方、高圧容量ＥＨに比べ低圧容量ＥＬが小さく、容量比Ｘが閾値Ｘｍａｘよりも大きいとき、変電要求電力ＰＤｒｅｑを負の値に設定し、高圧電源５から低圧電源３へ充電する。閾値Ｘｍｉｎ、Ｘｍａｘは、設計や実験により規定される。
図８において、低圧容量ＥＬが最小値ＥＬｍｉｎ＿Ｌｄを下回る領域では、低圧電源３を強制充電する。なお、容量比Ｘ＝（ＥＨ／ＥＬ）に基づく図９に代えて、「ＥＨ対ＥＬ対ＰＤｒｅｑ」の三次元マップを使用してもよい。
Ｓ５０５では、高圧電力ＰＨに依存する高圧電源要求電力ＰＨｒｅｑ（ＰＨ）を演算する。図１０に示す例では、高圧電源５の出力ＰＨ（＞０）が時刻ｔ１から時刻ｔ２まで増加し、時刻ｔ２から時刻ｔ３まで減少するように山型に変化しており、時刻ｔ２を跨ぐ期間に出力制限値ＰＨｏｕｔを上回っている。将来の要求電力を予測しない場合、高圧電力ＰＨから出力制限値ＰＨｏｕｔを減じた差分である静的要求電力ＰＨｒｅｑ＿ｓは、破線のハッチング領域で示される。
これに対し本実施形態では、変電機制御装置７０は、高圧電源５の電力変化、すなわち電力の時間微分値（ｄＰＨ／ｄｔ）に基づいて将来の要求電力を予測し、高圧電源要求電力ＰＨｒｅｑを演算する。図１０において、電力変化（ｄＰＨ／ｄｔ）に適合要素αを乗じた進み補償項「α×（ｄＰＨ／ｄｔ）」は、時刻ｔ１から時刻ｔ２まで正、時刻ｔ２から時刻ｔ３まで負となる。
将来の要求電力ＰＨｒｅｑは、静的要求電力ＰＨｒｅｑ＿ｓに進み補償項を加算した式（３）により演算される。
ＰＨｒｅｑ＝ＰＨ＋α×（ｄＰＨ／ｄｔ）−ＰＨｏｕｔ ・・・（３）
実線のハッチング領域で示す通り、進み補償項を加算した要求電力ＰＨｒｅｑは、静的要求電力ＰＨｒｅｑ＿ｓに対し進み側にシフトする。このように予測を行うことにより、例えば、高圧電源５の出力ＰＨが出力制限値ＰＨｏｕｔを上回り、出力が不足すると予測されたとき、変電機制御装置７０は、予め低圧電源３から高圧電源５に充電するように変電機４０を制御する。同様に、高圧電源５の入力ＰＨ（＜０）が入力制限値ＰＨｉｎを下回り、入力が過剰となると予測されたとき、変電機制御装置７０は、予め高圧電源５から低圧電源３に放電するように変電機４０を制御する。
Ｓ６０１及びＳ６０２は、回転機制御装置８にて実行される。
Ｓ６０１では、回転機制御装置８は、内燃機関の熱効率改善や回生電力等の駆動主機系からの要求が反映された高圧動力要求電力ＰＩｒｅｑを演算する。
Ｓ６０２では、回転機制御装置８は、高圧動力（回転機システム６）への供給目標電力ＰＩｔｇｔを式（４）により演算する。この演算では、高圧動力要求電力ＰＩｒｅｑと低圧電源要求電力ＰＬｒｅｑとの和に対し、正側の上限を電源システム出力ガード値ＰＳｏｕｔで制限し、負側の下限を電源システム入力ガード値ＰＳｉｎで制限する。
Figure 0006384367
Ｓ７００では、変電機制御装置７０は、回転機制御装置８が演算した高圧動力要求電力ＰＩｒｅｑに基づいて、変電目標電力ＰＤＣｔｇｔを式（５）により演算する。
Figure 0006384367
式（５）の第１項は、高圧動力要求電力ＰＩｒｅｑに対する高圧電力ＰＨの不足量の現在値（リアルタイム値）を意味する。第２項の変電要求電力ＰＤｒｅｑは、Ｓ５０４で得られ、高圧電源５と低圧電源３との容量比Ｘ＝（ＥＨ／ＥＬ）を一定範囲に維持する要求が反映されている。第３項の高圧電源要求電力ＰＨｒｅｑは、Ｓ５０５で得られ、将来の電力予測を見込んだ値である。
通常処理最後のステップであるＳ９００では、変電機４０の回路スイッチ動作を行う。このステップは周知技術であるため、詳細な説明を省略する。
以上で通常処理の説明を終了する。
次に、図１１〜図１３のフローチャートを参照し、低圧電源３または高圧電源５のいずれか一方が失陥したときの処理について説明する。図１１のメインフローチャートでは、図５の通常処理におけるステップ番号を援用する。
図１１に示すように、失陥時処理では、低圧電源３及び高圧電源５について、それぞれ内部抵抗判定（Ｓ１００、Ｓ３００）を行った後、変電機４０が正常か否か（Ｓ５０１）に応じて、以下の処理を場合分けする。
まず、図１２のサブフローチャートに示す低圧内部抵抗判定では、低圧電流ＩＬ、電圧ＶＬを測定し（Ｓ１０１）、低圧内部抵抗ＲＬ（＝ＶＬ／ＩＬ）を演算する（Ｓ１０２）。
低圧内部抵抗ＲＬが下限値ＲＬｍｉｎから上限値ＲＬｍａｘまでの範囲内であれば（Ｓ１０３：ＹＥＳ、Ｓ１０４：ＹＥＳ）、「Ａ」のルートでメインフローチャートに合流し、通常処理のＳ２０１〜Ｓ２０２を実行する。
低圧内部抵抗ＲＬが下限値ＲＬｍｉｎを下回っていれば（Ｓ１０３：ＮＯ）、低圧電源３が短絡していると判定し、ヒューズ、リレー、その他のブレーカにより故障箇所を遮断（Ｓ１０５）した後、Ｓ１０６に移行する。
低圧内部抵抗ＲＬが上限値ＲＬｍａｘを上回っていれば（Ｓ１０４：ＮＯ）、低圧電源３が断線または劣化していると判定し、Ｓ１０６に移行する。Ｓ１０６では、低圧入出力制限値を「ＰＬｉｎ＝０、ＰＬｏｕｔ＝０」に設定し、「Ｂ」のルートでメインフローチャートに合流する。
また、図１３のサブフローチャートに示す高圧内部抵抗判定では、高圧電流ＩＨ、電圧ＶＨを測定し（Ｓ３０１）、高圧内部抵抗ＲＨ（＝ＶＨ／ＩＨ）を演算する（Ｓ３０２）。
高圧内部抵抗ＲＨが下限値ＲＨｍｉｎから上限値ＲＨｍａｘまでの範囲内であれば（Ｓ３０３：ＹＥＳ、Ｓ３０４：ＹＥＳ）、「Ｃ」のルートでメインフローチャートに合流し、通常処理のＳ４０１〜Ｓ４０２を実行する。
高圧内部抵抗ＲＨが下限値ＲＨｍｉｎを下回っていれば（Ｓ３０３：ＮＯ）、高圧電源５が短絡していると判定し、ヒューズ、リレー、その他のブレーカにより故障箇所を遮断（Ｓ３０５）した後、Ｓ３０６に移行する。
高圧内部抵抗ＲＨが上限値ＲＨｍａｘを上回っていれば（Ｓ３０４：ＮＯ）、高圧電源５が断線または劣化していると判定し、Ｓ３０６に移行する。Ｓ３０６では、高圧入出力制限値を「ＰＨｉｎ＝０、ＰＨｏｕｔ＝０」に設定し、「Ｄ」のルートでメインフローチャートに合流する。
次に、図１１のＳ５０１で変電機４０が正常か異常かを判定する。
変電機４０が正常の場合（Ｓ５０１：ＹＥＳ）には、通常処理のＳ５０２〜Ｓ５０５、Ｓ６０１〜Ｓ６０２、Ｓ７００を実施した後、回路ＳＷ動作（Ｓ９００）を実行する。
変電機４０が異常の場合（Ｓ５０１：ＮＯ）には、運転者に警告を表示し、高圧電源５の許容範囲内で回転機システム６に電力供給しつつ、低圧電源３は、残容量の限り補機負荷２に電力供給する。
詳しくは、運転者に停止指示し（Ｓ５０６）、「低圧電源要求電力ＰＬｒｅｑ＝０」に設定する（Ｓ５０７）。また、高圧動力の電力制限として、放電制限について「出力ガード値ＰＳｏｕｔ＝ＰＨｏｕｔ」、充電制限について「入力ガード値ＰＳｉｎ＝ＰＨｉｎ」を通知する（Ｓ５０８）。
さらに、「変電目標電力ＰＤＣｔｇｔ＝０」、「高圧電源要求電力ＰＨｒｅｑ＝０」に設定する（Ｓ５０９、Ｓ５１０）。その後、通常処理のＳ６０１〜Ｓ６０２以降のステップを実行する。
（効果）
（１）本実施形態の電源システム１０は、高圧負荷としての回転機システム６に大電力を供給可能な高圧電源５と、補機負荷２に電力を供給する低圧電源３とを双方向に変圧可能な変電機４０で接続する。
変電機制御装置７０は、低圧電源３または高圧電源５の容量または入出力が適正範囲から外れたとき、他方の電源により補完するように変電機４０を制御するため、各電源の長所を生かしつつ、短所を補うことができる。
これにより、電源仕様を過剰に大きくすることなく、回転機システム６（高圧負荷）の要求特性に応じて、出力と容量とのバランスを適正化することができる。よって、小型で低コストの電源システムを提供することができる。
また、変電機制御装置７０は、回転機制御装置８に対し、高圧電源５及び低圧電源３の入出力能力の合計値を通知する。そして回転機制御装置８は、通知された合計値をガード値ＰＳｏｕｔ、ＰＳｉｎとして回転機システム６の要求電力ＰＩｒｅｑを制限し、供給目標電力ＰＩｔｇｔを演算する。さらに変電機制御装置７０は、回転機制御装置８が演算した供給目標電力ＰＩｔｇｔに基づいて変電目標電力ＰＤＣｔｇｔを演算し、電力変換を実行する。
このように、変電機制御装置７０と回転機制御装置８とが相互に情報を交換するため、特に車両のアイドリング時または走行時において、各電源の能力を適切に反映した効率的な電力供給制御を行うことができる。
（２）本実施形態では、高圧電源５は、ＬｉＣ等の高出力型電源で構成され、低圧電源３は、ＬｉＢ等の高容量型電源で構成されている。これにより、ハイブリッド自動車等における高出力且つ低容量の要求仕様に対し最適な電源仕様を提供することができる。よって、電源への高頻度な入出力による充放電ロス低減、回転機との電力入出力向上による内燃機関の熱効率向上、回転機からの入力向上による回生効率の向上効果により、システム全体でのエネルギ効率が向上する。
（３）変電機制御装置７０は、高圧電源５の容量ＥＨまたは電圧ＶＨが所定値よりも低下したとき、低圧電源３から高圧電源５に充電するように変電機４０を制御する。
また、変電機制御装置７０は、高圧電源５の容量ＥＨまたは電圧ＶＨが所定値よりも上昇したとき、高圧電源５から低圧電源３に放電するように変電機４０を制御する。
これにより、高圧電力要求に対し過放電または過充電となることを防止し、高圧電源５の容量ＥＨを適正に維持することができる。
（４）変電機制御装置７０は、高圧電源５の電力変化（ｄＰＨ／ｄｔ）に基づいて将来の高圧電源要求電力ＰＨｒｅｑを予測する。その結果、例えば高圧電力要求に対する不足分を低圧電源３から補うことができるため、高圧電源５の出力仕様を低減することができる。
（５）変電機制御装置７０は、低圧電源３の容量ＥＬが最小値ＥＬｍｉｎ＿Ｌｄを下回っているとき、回転機制御装置８に対し回転機による発電を要求する。これにより、補機負荷２への電力供給を適正に維持することができる。
（６）変電機制御装置７０は、低圧電源３または高圧電源５のいずれか一方が失陥したとき、他方の正常な電源が入出力可能な電力（制限値）を回転機制御装置８に対して通知する。これにより、非常時機能縮退運転が可能となる。特にハイブリッド自動車に適用される場合には、退避走行が可能となる。
（７）変電機制御装置７０は、回転機制御装置８からの電力要求があり、且つ、高圧電源５が失陥したとき、低圧電源３から回転機システム６に電力を供給するように変電機４０を制御する。これにより、高圧電源５が失陥しても、回転機のクランキングによる内燃機関の始動が可能となる。
（第２実施形態）
図１４に示すように、本発明の第２実施形態の電源システム１５は、第１実施形態とは逆に、高圧電源として容量型電源５５を用い、低圧電源として出力型電源３５を用いる。
変電機制御装置７０が、低圧電源３５または高圧電源５５の容量または入出力が適正範囲から外れたとき、他方の電源により補完するように変電機４０を制御する点、低圧電源３５と高圧電源５５との出力能力の合計値を回転機制御装置８に通知する点は、第１実施形態と同様である。この構成でも、回転機システム６（高圧負荷）の要求特性に応じて、出力と容量とのバランスを適正化することができる。
（その他の実施形態）
出力型電源及び容量型電源の具体的な選定は上記実施形態に例示したものに限らない。高圧負荷（回転機システム）の要求仕様に応じて、適当な電源を選択すればよい。
また、図１、図１４の構成では、変電機４０の一部に降圧コンバータ４２を設け、中圧部４６の電圧を降圧して補機負荷２に供給している。その他の実施形態では、変電機４０に降圧コンバータ４２を設けず、低圧電力ＰＬをそのまま補機負荷２に出力してもよい。
本発明の電源システムは、ハイブリッド自動車に搭載される回転機システム及び補機負荷に限らず、他のいかなる用途の回転機システム及び補機負荷に直流電力を供給する電源システムに適用されてもよい。例えば重機の動力源のように、瞬発的に大電力を出力する要求と小電力を持続的に出力する要求とが併存するシステムにおいて、本発明は有効に適用される。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
１０、１５・・・電源システム、
２ ・・・補機負荷、
３、３５・・・低圧電源、
４０・・・変電機、
５、５５・・・高圧電源、
６ ・・・回転機システム、
７０・・・変電機制御装置、
８ ・・・回転機制御装置。

Claims (4)

  1. 出力型電源で構成され、主機としての回転機を駆動する回転機システム（６）に直流電力を供給可能な高圧電源（５）と、
    容量型電源で構成され、前記主機以外の補機負荷（２）に直流電力を供給可能な低圧電源（３）と、
    前記高圧電源と前記低圧電源とを双方向に変圧可能に接続する変電機（４０）と、
    前記低圧電源の容量が適正範囲から外れたとき、前記高圧電源により補完し、前記高圧電源の容量または入出力が適正範囲から外れたとき、前記低圧電源により補完するように前記変電機を制御し、且つ、前記回転機システムを制御する回転機制御装置（８）に対し、前記高圧電源及び前記低圧電源の入出力能力の合計値を通知する変電機制御装置（７０）と、
    を備え、
    前記変電機制御装置は、
    前記回転機の力行動作により前記高圧電源の容量または電圧が所定値よりも低下したとき、前記低圧電源から前記高圧電源に充電するように前記変電機を制御し、
    前記回転機の回生動作により前記高圧電源の容量または電圧が所定値よりも上昇したとき、前記高圧電源から前記低圧電源に放電するように前記変電機を制御し、
    さらに、前記変電機制御装置は、前記高圧電源の電力変化に基づいて将来の要求電力を予測し、
    前記高圧電源の出力が不足すると予測されたとき、予め前記低圧電源から前記高圧電源に充電するように前記変電機を制御し、
    前記高圧電源の入力が過剰となると予測されたとき、予め前記高圧電源から前記低圧電源に放電するように前記変電機を制御することを特徴とする電源システム。
  2. 前記変電機制御装置は、前記低圧電源の容量が所定値を下回っているとき、前記回転機制御装置に対し前記回転機による発電を要求することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
  3. 前記変電機制御装置は、前記低圧電源または前記高圧電源のいずれか一方が失陥したとき、他方の電源が入出力可能な電力を前記回転機制御装置に対して通知することを特徴とする請求項１または２に記載の電源システム。
  4. 前記変電機制御装置は、前記回転機制御装置からの電力要求があり、且つ、前記高圧電源が失陥したとき、前記低圧電源から前記回転機システムに電力を供給するように前記変電機を制御することを特徴とする請求項３に記載の電源システム。
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