JP6879135B2 - 暖機装置システム - Google Patents

Description

本発明は、暖機装置システムに関し、詳しくは、蓄電装置と、電力の供給と電力の消費または充電とを行なう電力装置と、を備える暖機装置システムに関する。

従来、この種の暖機装置システムとしては、バッテリとキャパシタとを有し、バッテリの放電とキャパシタの充電とを伴ってバッテリを暖機する第１暖機制御と、キャパシタの放電とバッテリの充電とを伴ってバッテリを暖機する第２暖機制御と、を交互に繰り返し実行する暖機制御を行なうものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このシステムでは、上述の暖機制御を実行することにより、バッテリの暖機をエネルギ効率よく行なっている。

特開２０１６−２１３１０２号公報

しかしながら、上述のシステムでは、バッテリの暖機制御におけるバッテリの充放電電力が小さいときには、バッテリの暖機に時間を要してしまう。一方、充放電電力が大きいときには、バッテリの入出力制限によって制限され、効率的にバッテリの暖機を行なうことができない場合が生じる。

本発明の暖機装置システムは、より効率的に蓄電装置を暖機することを主目的とする。

本発明の暖機装置システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の暖機装置システムは、
蓄電装置と、電力の供給と電力の消費または充電とを行なう電力装置と、前記蓄電装置と前記電力装置との間の電力のやりとりを司るコンバータと、前記電力装置および前記コンバータを制御する制御装置と、を備える暖機装置システムであって、
前記制御装置は、前記蓄電装置の放電と前記電力装置の電力の消費または充電とを伴って前記蓄電装置の暖機を行なう第１暖機制御と、前記蓄電装置の充電と前記電力装置の電力の供給とを伴って前記蓄電装置の暖機を行なう第２暖機制御と、を交互に繰り返し実行する暖機制御を実行する際に、前記蓄電装置の温度の上昇に伴って前記蓄電装置の充放電電力が大きくなるように制御する、
ことを特徴とする。

本発明の暖機装置システムでは、蓄電装置の放電と電力装置の電力の消費または充電とを伴って蓄電装置の暖機を行なう第１暖機制御と、蓄電装置の充電と電力装置の電力の供給とを伴って蓄電装置の暖機を行なう第２暖機制御と、を交互に繰り返し実行する暖機制御を実行する際に、蓄電装置の温度の上昇に伴って蓄電装置の充放電電力が大きくなるように制御する。これにより、蓄電装置の温度に応じて暖機することができる。この結果、より効率的により迅速に蓄電装置を暖機することができる。ここで、電力装置としては、電力の供給と電力の充電とを行なうもの（例えば、蓄電装置とは異なる第２の蓄電装置）や、電力の供給と電力の消費とを行なうもの（例えば、燃料電池と電機機器とを有するもの）などが含まれる。

本発明の第１実施例の暖機装置システムとしても機能する駆動システム２０の構成の概略を示す構成図である。 第１実施例のＥＣＵ４０により実行されるバッテリ暖機制御の一例を示すフローチャートである。 充放電電力設定用マップの一例を示す説明図である。 バッテリ暖機制御の際の充放電電力Ｐｂと燃料電池供給電力Ｐｆとバッテリ温度Ｔｂとインバータ供給電力Ｐｉｎｖの時間変化の一例を示す説明図である。 本発明の第２実施例の暖機装置システムとしても機能する駆動システム２２０の構成の概略を示す構成図である。 バッテリ暖機制御の際の第１バッテリ２２２および第２バッテリ２３２の電力Ｐ１，Ｐ２とバッテリ温度Ｔｂとインバータ供給電力Ｐｉｎｖの時間変化の一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の第１実施例としての暖機装置システムとしても機能する駆動システム２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の駆動システム２０は、図示するように、バッテリ２２と、バッテリ用昇圧コンバータ２６と、燃料電池３２と、燃料電池用昇圧コンバータ３６と、インバータ３８と、モータ３９と、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」と称する。）４０と、を備え、例えば駆動輪にモータ３９が接続される電気自動車に搭載される。

バッテリ２２は、例えば、リチウムイオン二次電池の単電池を直列に複数接続した電池モジュールを更に並列に接続した組電池として構成されている。バッテリ用昇圧コンバータ２６は、バッテリ２２とインバータ３８とに介在するように接続されており、２個のスイッチング素子と２個のダイオードと１個のリアクトルとを有する周知の昇降圧コンバータとして構成され、バッテリ２２の電力を昇圧してインバータ３８側に供給したり、インバータ３８側の電力を降圧してバッテリ２２を充電する。

燃料電池３２は、例えば、燃料（例えば水素）と酸化剤（例えば空気）を供給されて発電する固体高分子型燃料電池の単セルを複数直列に接続した燃料電池システムとして構成されている。燃料電池用昇圧コンバータ３６は、燃料電池３２とインバータ３８とに介在するように接続されており、２個のスイッチング素子と２個のダイオードと１個のリアクトルとを有する周知の昇降圧コンバータとして構成され、燃料電池３２の発電電力をインバータ３８側に昇圧して供給する。

インバータ３８は、６個のスイッチング素子と６個のダイオードとを有する周知のインバータ回路として構成されており、バッテリ用昇圧コンバータ２６および燃料電池用昇圧コンバータ３６側の直流電力を三相交流電力としてモータ３９に供給する。モータ３９は、例えば同期発電電動機や誘導電動機として構成されている。

ＥＣＵ４０は、図示しないＣＰＵを中心として構成された汎用のマイクロコンピュータとして構成されており、ＣＰＵの他に図示しないＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、入出力ポートなどを備え、バッテリ２２の充放電制御や燃料電池３２の運制御転、モータ３９の駆動制御を行なう。ＥＣＵ４０には、種々のセンサからの検出信号が入力ポートを介して入力されている。検出信号としては、バッテリ２２に取り付けられた温度センサ２３からのバッテリ温度Ｔｂやバッテリ２２の出力端子近傍に取り付けられた電圧センサ２４や電流センサ３５からのバッテリ電圧Ｖｂや充放電電流Ｉｂを挙げることができる。また、燃料電池３２に取り付けられた種々のセンサからの検出信号や燃料電池３２の出力端子近傍に取り付けられた電圧センサ３４や電流センサ３５からの燃料電池電圧Ｖｆや燃料電池出力電流Ｉｆを挙げることができる。更に、バッテリ用昇圧コンバータ２６や燃料電池用昇圧コンバータのリアクトルの電流を検出する電流センサからのリアクトル電流やモータ３９の回転位置を検出する回転位置検出センサからの回転位置、モータ３９に印加される三相交流電力における相電流を検出する電流センサからの相電流なども挙げることができる。ＥＣＵ４０からは、種々の制御信号が出力ポートを介して出力されている。制御信号としては、バッテリ用昇圧コンバータ２６のスイッチング素子のスイッチング制御信号や燃料電池３２を運転するための運転制御信号、燃料電池用昇圧コンバータ３６のスイッチング素子のスイッチング制御信号、インバータ３８のスイッチング素子のスイッチング制御信号などを挙げることができる。なお、ＥＣＵ４０は、バッテリ２２の充放電電流Ｉｂに基づいてバッテリ２２の蓄電割合ＳＯＣを演算したり、バッテリ２２の蓄電割合ＳＯＣやバッテリ温度Ｔｂに基づいてバッテリ２２から出力してもよい電力の上下限値としての入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔも演算している。

次に、こうして構成された駆動システム２０が暖機装置システムとして機能する際の動作、即ち、バッテリ２２を暖機する際の動作について説明する。図２は、ＥＣＵ４０により実行されるバッテリ暖機制御の一例を示すフローチャートである。この制御は、バッテリ２２の温度（バッテリ温度）Ｔｂが閾値Ｔｒｅｆ未満のときに実行される。閾値Ｔｒｅｆは、バッテリ２２の暖機が不要と判断される温度である。

バッテリ暖機制御が実行されると、ＥＣＵ４０は、まず、モータ３９から必要な駆動力を出力するためにインバータ３８に供給すべきインバータ供給電力Ｐｉｎｖや温度センサ２３からのバッテリ温度Ｔｂ、バッテリ２２の蓄電割合ＳＯＣなどの暖機制御が必要なデータを入力する処理を実行する（ステップＳ１００）。続いて、入力したバッテリ温度Ｔｂが閾値Ｔｒｅｆ未満であるか否かを判定し（ステップＳ１１０）、バッテリ温度Ｔｂが閾値Ｔｒｅｆ以上のときには、暖機は完了したと判断し、本制御を終了する。なお、バッテリ暖機制御はバッテリ温度Ｔｂが閾値Ｔｒｅｆ未満のときに実行されるから、バッテリ暖機制御の実行が開始された直後ではバッテリ温度Ｔｂは閾値Ｔｒｅｆ未満であると判定される。

ステップＳ１１０でバッテリ温度Ｔｂは閾値Ｔｒｅｆ未満であると判定されたときには、バッテリ温度Ｔｂに基づいて充放電電力Ｐｂを設定する（ステップＳ１２０）。充放電電力Ｐｂは、実施例では、バッテリ温度Ｔｂと充放電電力Ｐｂとの関係をバッテリ２２が劣化しない範囲内でバッテリ温度Ｔｂが高いほど充放電電力Ｐｂが大きくなるように予め定めて充放電電力設定用マップとして記憶しておき、バッテリ温度Ｔｂが与えられるとマップから対応する充放電電力Ｐｂを導出することにより設定するものとした。充放電電力設定用マップの一例を図３に示す。図示するように、バッテリ温度Ｔｂが高いほど充放電電力Ｐｂが大きくなるように設定されている。

充放電電力Ｐｂを設定すると、バッテリ２２から放電中であるか否か否かを判定する（ステップＳ１３０）。バッテリ暖機制御の実行が開始された直後ではバッテリ２２の充放電は行なわれていないから、放電中ではないと判定される。

ステップＳ１３０で放電中ではないと判定されると、蓄電割合ＳＯＣが閾値Ｓ２未満であるか否かを判定する（ステップＳ１５０）。ここで、閾値Ｓ２は、バッテリ２２の暖機制御におけるバッテリ２２の蓄電割合ＳＯＣの上限として予め定められるものであり、例えば８０％や８５％などを用いることができる。蓄電割合ＳＯＣが閾値Ｓ２未満であると判定されると、バッテリ２２が充放電電力Ｐｂで充電されるようにバッテリ用昇圧コンバータ２６を駆動制御すると共に（ステップＳ１８０）、インバータ供給電力Ｐｆから充放電電力Ｐｂを減じたものを燃料電池供給電力Ｐｆとして設定し（ステップＳ１９０）、ステップＳ１００に戻る。燃料電池供給電力Ｐｆが設定されると、図示しない燃料電池運転制御により燃料電池３２から燃料電池供給電力Ｐｆが出力されるように燃料電池３２と燃料電池用昇圧コンバータ３６とが制御される。ステップＳ１００〜Ｓ１３０、Ｓ１５０、Ｓ１８０、Ｓ１９０の処理は、バッテリ温度Ｔｂが閾値Ｔｒｅｆ以上に至るか蓄電割合ＳＯＣが閾値Ｓ２以上に至るまで繰り返し実行される。

ステップＳ１００〜Ｓ１３０、Ｓ１５０、Ｓ１８０、Ｓ１９０の処理が繰り返し実行されることにより蓄電割合ＳＯＣが閾値Ｓ２以上に至ったときには、ステップＳ１５０で蓄電割合ＳＯＣが閾値Ｓ２以上であると判定される。この場合、バッテリ２２から充放電電力Ｐｂが放電されるようにバッテリ用昇圧コンバータ２６を駆動制御すると共に（ステップＳ１６０）、インバータ供給電力Ｐｆに充放電電力Ｐｂを加えたものを燃料電池供給電力Ｐｆとして設定し（ステップＳ１７０）、ステップＳ１００に戻る。そして、次のステップＳ１３０では放電中であると判定され、蓄電割合ＳＯＣが閾値Ｓ１以上であるか否かが判定される（ステップＳ１４０）。ここで、閾値Ｓ１は、バッテリ２２の暖機制御におけるバッテリ２２の蓄電割合ＳＯＣの下限として予め定められるものであり、例えば３０％や４０％などを用いることができる。蓄電割合ＳＯＣが閾値Ｓ１以上であると判定されると、ステップＳ１６０，Ｓ１７０の処理が実行されてステップＳ１００に戻る。したがって、ステップＳ１００〜Ｓ１３０、Ｓ１４０、Ｓ１６０、Ｓ１７０の処理は、バッテリ温度Ｔｂが閾値Ｔｒｅｆ以上に至るか蓄電割合ＳＯＣが閾値Ｓ１未満に至るまで繰り返し実行される。

ステップＳ１００〜Ｓ１３０、Ｓ１４０、Ｓ１６０、Ｓ１７０の処理が繰り返し実行されることにより蓄電割合ＳＯＣが閾値Ｓ１未満に至ったときには、ステップＳ１４０で蓄電割合ＳＯＣが閾値Ｓ１未満であると判定され、ステップＳ１８０、Ｓ１９０の処理が実行されてステップＳ１００に戻る。

したがって、このバッテリ暖機制御は、バッテリ温度Ｔｂが閾値Ｔｒｅｆ以上に至るまでは、蓄電割合ＳＯＣが閾値Ｓ１未満に至るまでバッテリ２２から充放電電力Ｐｂを放電することによりバッテリ２２を暖機する第１暖機制御と、蓄電割合ＳＯＣが閾値Ｓ２以上に至るまでバッテリ２２を充電電電力Ｐｂで充電することによりバッテリ２２を暖機する第２暖機制御と、を交互に繰り返す制御となる。そして、バッテリ２２を充放電する充放電電力Ｐｂはそのときのバッテリ温度Ｔｂに応じたものとなる。

図４は、バッテリ暖機制御を実行しているときのバッテリ２２の充放電電力Ｐｂと燃料電池供給電力Ｐｆとバッテリ温度Ｔｂとインバータ供給電力Ｐｉｎｖの時間変化の一例を示す説明図である。図４では、充放電電力Ｐｂと燃料電池供給電力Ｐｆの変化が容易に解るように、インバータ供給電力Ｐｉｎｖを一定とすると共にバッテリ２２の充放電が切り替わるまでバッテリ温度Ｔｂは一定であるものとした。図示するように、充放電電力Ｐｂは、バッテリ２２の充放電が繰り返される毎にその絶対値が大きくなっている。

以上説明した第１実施例の駆動システム２０では、バッテリ２２の温度Ｔｂが閾値Ｔｒｅｆ未満のときには、バッテリ温度Ｔｂが閾値Ｔｒｅｆ以上に至るまで、バッテリ温度Ｔｂが大きいほど大きくなるように充放電電力Ｐｂを設定し、バッテリ２２が充放電電力Ｐｂで充放電が交互に繰り返されるように制御する。これにより、バッテリ温度Ｔｂに応じてバッテリ２２の充放電（暖機）を行なうことができる。この結果、より効率的により迅速にバッテリ２２を暖機することができる。しかも、モータ３９に必要な電力をインバータ３８に供給しながらバッテリ２２を暖機することができる。

第１実施例の駆動システム２０では、バッテリ２２が「蓄電装置」に相当し、燃料電池３２と燃料電池用昇圧コンバータ３６とインバータ３８とモータ３９とが「電力装置」に相当し、バッテリ用昇圧コンバータ２６が「コンバータ」に相当し、ＥＣＵ４０が「制御装置」に相当する。

次に、第２実施例の駆動システム２２０について説明する。図５は、第２実施例の暖機装置システムとしても機能する駆動システム２２０の構成の概略を示す構成図である。第２実施例の駆動システム２２０は、図示するように、図１に示した第１実施例の駆動システム２０の構成のうち燃料電池３２と燃料電池用昇圧コンバータ３６とに代えて第２バッテリ２３２と第２昇圧コンバータ２３６とを備えるものとしたものとなる。即ち、第２実施例の駆動システム２２０は、第１バッテリ２２２と、第１昇圧コンバータ２２６と、第２バッテリ２３２と、第２昇圧コンバータ２３６と、インバータ２３８と、モータ２３９と、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」と称する。）２４０と、を備える。

第１バッテリ２２２、第１昇圧コンバータ２２６、インバータ２３８、モータ２３９は、第１実施例の駆動システム２０が備えるバッテリ２２、バッテリ用昇圧コンバータ２６、インバータ３８、モータ３９と同様に構成されている。第２バッテリ２３２は、第１バッテリ２２２と同様に、リチウムイオン二次電池による組電池として構成されており、第２昇圧コンバータ２３６は、第１昇圧コンバータと同様に、２個のスイッチング素子と２個のダイオードと１個のリアクトルとを有する周知の昇降圧コンバータとして構成されている。

ＥＣＵ２４０は、第１実施例の駆動システム２０が備えるＥＣＵ４０と同様に、図示しないＣＰＵを中心として構成された汎用のマイクロコンピュータとして構成されており、ＣＰＵの他に図示しないＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、入出力ポートなどを備え、第１バッテリ２２２および第２バッテリ２３２の充放電制御やモータ２３９の駆動制御を行なう。ＥＣＵ２４０には、種々のセンサからの検出信号が入力ポートを介して入力されている。検出信号としては、第１バッテリ２２２および第２バッテリ２３２に取り付けられた温度センサ２２３，２３３からのバッテリ温度Ｔｂ１，Ｔｂ２や第１バッテリ２２２および第２バッテリ２３２の出力端子近傍に取り付けられた電圧センサ２２４，２３４や電流センサ２２５，２３５からのバッテリ電圧Ｖｂ１，Ｖｂ２や充放電電流Ｉｂ１，Ｉｂ２を挙げることができる。また、第１昇圧コンバータ２２６や第２昇圧コンバータのリアクトルの電流を検出する図示しない電流センサからのリアクトル電流やモータ２３９の回転位置を検出する回転位置検出センサからの回転位置、モータ２３９に印加される三相交流電力における相電流を検出する電流センサからの相電流なども挙げることができる。ＥＣＵ２４０からは、種々の制御信号が出力ポートを介して出力されている。制御信号としては、第１昇圧コンバータ２２６および第２昇圧コンバータ２３６のスイッチング素子のスイッチング制御信号やインバータ２３８のスイッチング素子のスイッチング制御信号などを挙げることができる。なお、ＥＣＵ２４０は、第１バッテリ２２２および第２バッテリ２３２の充放電電流Ｉｂ１，Ｉｂ２に基づいて第１バッテリ２２２および第２バッテリ２３２の蓄電割合ＳＯＣ１，ＳＯＣ２を演算したり、第１バッテリ２２２および第２バッテリ２３２の蓄電割合ＳＯＣ１，ＳＯＣ２やバッテリ温度Ｔｂ１，Ｔｂ２に基づいて第１バッテリ２２２および第２バッテリ２３２から出力してもよい電力の上下限値としての入出力制限Ｗｉｎ１，Ｗｏｕｔ１，Ｗｉｎ２，Ｗｏｕｔ２も演算している。

こうした第２実施例の駆動システム２２０でも、第１バッテリ２２２および第２バッテリ２３２の暖機を行なう。この場合、第１バッテリ２２２および第２バッテリ２３２の温度が共に閾値Ｔｒｅｆ以上となるまで、第１バッテリ２２２から放電すると共に第２バッテリ２３２を充電する第１暖機制御と、第１バッテリ２２２を充電すると共に第２バッテリ２３２か放電する第２暖機制御と、を交互に繰り返すものとなる。このときの充放電電力Ｐｂは、図３を用いて説明したように、バッテリ温度Ｔｂ１，Ｔｂ２のうち低い方の温度が高いほど大きくなる電力を用いる。インバータ供給電力Ｐｉｎｖが値０のときには、充放電電力Ｐｂによる第１バッテリ２２２および第２バッテリ２３２の充放電が行なわれる。インバータ供給電力Ｐｉｎｖが値０ではないときには、第１バッテリ２２２を充放電している電力Ｐ１と第２バッテリ２３２を充放電している電力Ｐ２との和がインバータ供給電力Ｐｉｎｖとなるように制御すればよい。図６にインバータ供給電力Ｐｉｎｖを一定としたときの第１バッテリ２２２の電力Ｐ１と第２バッテリ２３２の電力Ｐ２とバッテリ温度Ｔｂとインバータ供給電力Ｐｉｎｖの時間変化の一例を示す。なお、図６におけるバッテリ温度Ｔｂは、バッテリ温度Ｔｂ１，Ｔｂ２のうち低い方の温度を意味している。図示するように、第１バッテリ２２２と第２バッテリ２３２は、バッテリ温度Ｔｂの上昇に伴って大きくなる電力により交互に充放電が繰り返されている。

以上説明した第２実施例の駆動システム２２０でも、第１バッテリ２２２および第２バッテリ２３２の温度Ｔｂ１，Ｔｂ２のうちの低い方の温度Ｔｂが閾値Ｔｒｅｆ未満のときに、バッテリ温度Ｔｂが閾値Ｔｒｅｆ以上に至るまで、バッテリ温度Ｔｂが大きいほど大きくなる充放電電力Ｐｂを用いて、第１バッテリ２２２の充電および第２バッテリ２３２の放電と、第１バッテリ２２２の放電と第２バッテリ２３２の充電と、を交互に繰り返すように制御する。これにより、バッテリ温度Ｔｂに応じて第１バッテリ２２２の充放電（暖機）および第２バッテリ２３２の充放電（暖機）を行なうことができる。この結果、より効率的により迅速に第１バッテリ２２２の暖機および第２バッテリ２３２の暖機を行なうことができる。しかも、モータ２３９に必要な電力をインバータ２３８に供給しながら第１バッテリ２２２の暖機および第２バッテリ２３２の暖機を行なうことができる。

第２実施例の駆動システム２２０では、第１バッテリ２２２が「蓄電装置」に相当し、第２バッテリ２３２および第２昇圧コンバータ２３６とインバータ２３８とモータ２３９とが「電力装置」に相当し、第１昇圧コンバータ２２６が「コンバータ」に相当し、ＥＣＵ２４０が「制御装置」に相当するか、或いは、第２バッテリ２３２が「蓄電装置」に相当し、第１バッテリ２２２および第１昇圧コンバータ２２６とインバータ２３８とモータ２３９とが「電力装置」に相当し、第２昇圧コンバータ２３６が「コンバータ」に相当し、ＥＣＵ２４０が「制御装置」に相当する。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、暖機装置システムの製造産業などに利用可能である。

２０，２２０ 駆動システム、２２ バッテリ、２３，２２３，２３３ 温度センサ、２４，３４，２２４，２３４ 電圧センサ、２５，３５，２２５，２３５ 電流センサ、２６ バッテリ用昇圧コンバータ、３２ 燃料電池、３６ 燃料電池用昇圧コンバータ、３８，２３８ インバータ、３９，２３９ モータ、４０，２４０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）、２２２ 第１バッテリ、２２６ 第１昇圧コンバータ、２３２ 第２バッテリ、２３６ 第２昇圧コンバータ。

Claims (1)

1. 蓄電装置と、電力の供給と電力の消費または充電とを行なう電力装置と、前記蓄電装置と前記電力装置との間の電力のやりとりを司るコンバータと、前記電力装置および前記コンバータを制御する制御装置と、を備える暖機装置システムであって、
   前記制御装置は、前記蓄電装置の放電と前記電力装置の電力の消費または充電とを伴って前記蓄電装置の暖機を行なう第１暖機制御と、前記蓄電装置の充電と前記電力装置の電力の供給とを伴って前記蓄電装置の暖機を行なう第２暖機制御と、を交互に繰り返し実行する暖機制御を実行する際に、前記蓄電装置の温度の上昇に伴って前記蓄電装置の充放電電力が大きくなるように制御する、
   ことを特徴とする暖機装置システム。

Images