JP7201492B2

JP7201492B2 - 車両の電力システム、車両の電力制御装置、車両の電力制御方法、およびプログラム

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Description

本発明は、車両の電力システム、車両の電力制御装置、車両の電力制御方法、およびプログラムに関する。

従来、排熱回収装置を備える車両の電力システムが知られている。排熱回収装置は、発熱体の排熱を用いて発電を行う発電機を備える。例えば特許文献１には、内燃機関であるエンジンの排気エネルギを回収するための排気エネルギ回収装置を備えたハイブリッド車両が開示されている。排気エネルギ回収装置は、インバータを介して低電圧バッテリに接続されている。インバータの電機負荷は、排気エネルギ回収装置の目標発電量が得られるように制御される。また、車両走行用の駆動源としてのモータジェネレータが、別のインバータを介して高電圧バッテリに接続されている。低電圧バッテリと高電圧バッテリとは、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータは、両バッテリ間における電力の授受を制御する。

特開２００４－２２２４６１号公報

特許文献１に記載された電力システムは、排気エネルギ回収装置の発電を制御するための電力変換装置であるインバータと、両バッテリ間における電力の授受を制御するための電力変換装置であるＤＣ／ＤＣコンバータと、を別々に備える。よって、電力変換装置の数が多くなるとともに、電力システムが大型化し、車両における限られたスペースを圧迫するおそれがある。このように、従来、排熱から電力を回収するための発電を制御可能であり、かつ小型化が可能な電力システムが希求されていた。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、排熱から電力を回収するための発電を制御可能であり、低電圧系と高電圧系との間で電力の授受が可能であり、かつ小型化が可能な、新規かつ改良された車両の電力システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、車両の電力システムであって、発熱体の排熱を用いて発電を行う発電機を備えた排熱回収装置と、低電圧二次電池を備えた低電圧系と、高電圧二次電池を備えた高電圧系と、発電機と低電圧系とを接続する第１配線と、第１配線と高電圧系とを接続する第２配線と、第２配線に設けられ、昇圧および降圧が可能なＤＣＤＣコンバータと、電力制御装置と、を含み、電力制御装置は、低電圧系の消費電流と、高電圧系の側へのＤＣＤＣコンバータの出力電流との和が、発電機の出力電流となるように、ＤＣＤＣコンバータを制御する、車両の電力システムが提供される。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、車両の電力制御装置であって、車両は、発熱体と、発熱体の排熱を用いて発電を行う発電機を備えた排熱回収装置と、低電圧二次電池を備えた低電圧系と、高電圧二次電池を備えた高電圧系と、発電機と低電圧系とを接続する第１配線と、第１配線と高電圧系とを接続する第２配線と、第２配線に設けられ、昇圧および降圧が可能なＤＣＤＣコンバータと、を含み、電力制御装置は、前記低電圧系の消費電流と、高電圧系の側へのＤＣＤＣコンバータの出力電流との和が、発電機の出力電流となるように、ＤＣＤＣコンバータを制御することにより、発電機の出力電流を制御するように設けられている、車両の電力制御装置が提供される。
電力制御装置は、低電圧系の消費電流を取得し、排熱回収装置の目標動作点に基づいて発電機の目標出力電流を算出し、取得した低電圧系の消費電流と、高電圧系の側へのＤＣＤＣコンバータの出力電流との和が、算出した発電機の目標出力電流となるように、ＤＣＤＣコンバータを制御するように設けられていてよい。
電力制御装置は、低電圧系の消費電流を予測により取得するように設けられていてよい。
電力制御装置は、発熱体の発熱量に関する情報に基づいて排熱回収装置の目標動作点を算出し、排熱回収装置の目標動作点に基づいて発電機の出力電流を制御するように設けられていてよい。
発熱体は、内燃機関であり、発熱体の発熱量に関する情報は、内燃機関の冷却水温であってよい。
排熱回収装置は、作動媒体の状態変化の過程を組み合わせたサイクルを含み、作動媒体の流れにより発電機の動力を生成するように設けられ、電力制御装置は、作動媒体の状態間の変化量に関する情報に基づいて排熱回収装置の目標動作点を算出し、排熱回収装置の目標動作点に基づいて発電機の出力電流を制御するように設けられていてよい。
作動媒体の状態間の変化量に関する情報は、外気温であってよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、車両の電力制御方法であって、車両は、発熱体と、発熱体の排熱を用いて発電を行う発電機を備えた排熱回収装置と、低電圧二次電池を備えた低電圧系と、高電圧二次電池を備えた高電圧系と、発電機と低電圧系とを接続する第１配線と、第１配線と高電圧系とを接続する第２配線と、第２配線に設けられ、昇圧および降圧が可能なＤＣＤＣコンバータと、を含み、電力制御装置が、低電圧系の消費電流と、高電圧系の側へのＤＣＤＣコンバータの出力電流との和が、発電機の出力電流となるように、ＤＣＤＣコンバータを制御することにより、発電機の出力電流を制御すること、を含む、車両の電力制御方法が提供される。

また、上記課題を解決するために、本発明のさらに別の観点によれば、コンピュータを、発熱体と、発熱体の排熱を用いて発電を行う発電機を備えた排熱回収装置と、低電圧二次電池を備えた低電圧系と、高電圧二次電池を備えた高電圧系と、発電機と低電圧系とを接続する第１配線と、第１配線と高電圧系とを接続する第２配線と、第２配線に設けられ、昇圧および降圧が可能なＤＣＤＣコンバータと、を含む車両のＤＣＤＣコンバータを、低電圧系の消費電流と、高電圧系の側へのＤＣＤＣコンバータの出力電流との和が、発電機の出力電流となるように制御することにより、発電機の出力電流を制御する電力制御装置、として機能させるためのプログラムが提供される。

以上説明したように本発明によれば、排熱から電力を回収するための発電を制御可能であり、低電圧系と高電圧系との間で電力の授受が可能であり、かつ小型化が可能な車両の電力システムを提供することができる。

本発明の実施形態に係る車両の各システムの概略構成を示すシステム図である。同実施形態に係る車両の電力制御装置の概略構成を示すブロック線図である。同実施形態に係る車両の電力制御の流れを示すフローチャートである。同実施形態に係る車両の電力システムの動作を示す説明図である（ＤＣＤＣコンバータ降圧動作時）。同実施形態に係る車両の電力システムの動作を示す説明図である（ＤＣＤＣコンバータ昇圧動作時）。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

［電力システムの構成］
まず、図１～３を参照して、本発明の実施形態に係る車両の電力システム、車両の電力制御装置、およびプログラムの概略構成について説明する。図１に示すように、車両は、例えばハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）であり、駆動システム、電力システム１、および制御システムを備える。制御システムは、各種のセンサ９および電子制御ユニット（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ。以下、ＥＣＵと記載。）１０を有する。ＥＣＵ１０は、センサ９、駆動システムおよび電力システム１から信号が入力されるとともに、駆動システムおよび電力システム１へ制御信号を出力することで、車両の駆動力および電力を制御する。なお、車両は、電気自動車（ＥＶ）等であってもよい。

車両の駆動システムは、エンジン２０、動力伝達系２１、駆動輪２２、およびモータ・ジェネレータ６３を備える。エンジン２０は、ガソリンエンジン等の内燃機関であり、車両の走行状態に応じて、例えば要求トルクに応じて、運転または停止する。エンジン２０の運転により生成された動力は、動力伝達系２１を介して駆動輪２２へ伝達される。動力伝達系２１は、例えば遊星歯車機構により構成される動力分割装置、減速ギア、またはディファレンシャルギア等を含んでよい。モータ・ジェネレータ６３は、車両の駆動力を生成する駆動用モータとしての機能を有する。また、モータ・ジェネレータ６３は、車両の制動時に車両の運動エネルギを用いて発電する発電機としての機能を有する。モータ・ジェネレータ６３は、例えば三相交流式であり、インバータ６２を介して高電圧バッテリ６０と電気的に接続されている。

モータ・ジェネレータ６３が駆動用モータとして機能する場合、高電圧バッテリ６０から供給される直流電力がインバータ６２によって交流電力に変換され、モータ・ジェネレータ６３へ供給される。モータ・ジェネレータ６３により生成された動力は、動力伝達系２１を介して駆動輪２２へ伝達される。ＥＣＵ１０は、インバータ６２を制御することによって、モータ・ジェネレータ６３により生成される動力を制御する。モータ・ジェネレータ６３が発電機として機能する場合、ＥＣＵ１０がインバータ６２を制御することによって、駆動輪２２の回転エネルギを用いてモータ・ジェネレータ６３により発電が行われる。発電された交流電力はインバータ６２により直流電力に変換され、高電圧バッテリ６０へ蓄電される。これにより、駆動輪２２の回転に抵抗が与えられ、制動力が発生する。ＥＣＵ１０は、インバータ６２を制御することによって、モータ・ジェネレータ６３の発電電力を制御する。

車両の電力システム１は、ランキンサイクル３、発電機４、低電圧系５、高電圧系６、ＤＣＤＣコンバータ７、第１配線８１、および第２配線８２を備える。エンジン２０は、ランキンサイクル３に排熱を供給する発熱体として機能する。エンジン２０のシリンダブロックまたはシリンダヘッドには、冷却水が循環する冷却水流路２００が設けられている。エンジン２０の排熱は、冷却水流路２００を循環する冷却水によって回収される。冷却水流路２００は、エンジン２０の外部においてランキンサイクル３の熱交換器３３と接続されている。冷却水流路２００は、熱交換器３３において、ランキンサイクル３の作動媒体との間で熱交換を行う。

ランキンサイクル３および発電機４は、エンジン２０の排熱を用いて発電を行う排熱回収装置として機能する。ランキンサイクル３は、作動媒体の状態変化の過程を組み合わせたサイクルであって、作動媒体の流れにより発電機４の動力を生成する。ランキンサイクル３は、タンク３０、作動媒体流路３１、ポンプ３２、熱交換器３３、膨張器３４、および凝縮器３５を備える。作動媒体流路３１は、作動媒体が循環する流路である。作動媒体として、例えば、水、フロン、またはアルコール等を用いることができる。ポンプ３２は、タンク３０に貯留された作動媒体を吸い上げ、圧縮する。ポンプ３２は、例えば電動モータにより駆動される。この電動モータは、ＥＣＵ１０により制御される。ＥＣＵ１０からの指令に基づいて、ポンプ３２の回転数が制御されうる。

熱交換器３３は、作動媒体流路３１および冷却水流路２００に接続されている。熱交換器３３において、ポンプ３２からの作動媒体と冷却水流路２００の冷却水との間で熱交換が行われる。これにより、作動媒体は、エンジン２０の排熱を有する冷却水によって加熱され、気化する。熱交換器３３は、蒸発器として機能する。なお、作動媒体は、エンジン２０の排熱を有する排気ガスによって加熱されてもよい。膨張器３４は、作動媒体流路３１に設けられている。膨張器３４は、熱交換器３３で気化した作動媒体を膨張させて回転エネルギを生成する。具体的には、膨張器３４は、膨張室およびタービンを有する。作動媒体は膨張室へ吸入され、そこで膨張する。作動媒体の流れを受けることでタービンが回転し、動力および回転エネルギが生成される。凝縮器３５は、作動媒体流路３１に設けられており、例えばエンジンルーム内におけるラジエータの前方に配置される。凝縮器３５は、膨張器３４を通過した気相の作動媒体を、ファンを用いた外気の送風等により、冷却して凝縮する。凝縮された作動媒体は、タンク３０へ貯留される。

発電機４は、ランキンサイクル３により生成される動力を用いて発電を行う。発電機４は、膨張器３４のタービンと連結可能な回転軸を有し、膨張器３４から回転軸を介して伝達される回転エネルギを用いて発電する。発電機４は、例えばロータ、ステータ、整流器および電圧レギュレータを備えた一般的なオルタネータであってよい。ロータは、例えば磁極およびロータコイルを有し、回転軸と一体に回転する。ステータは、ロータの外周側に配置され、三相のステータコイルを有する。整流器は、ステータに発生した三相交流電圧を整流して直流電圧に変換する。電圧レギュレータは、例えばＩＣ型であり、ロータコイルの電流を制御することで、発電機４からの直流電圧を所定の一定値に保つ。

低電圧系５は、低電圧バッテリ５０および低電圧補機５１を備える。低電圧バッテリ５０は、低電圧の二次電池であり、その電圧は、例えば１２Ｖであるが、これに限らない。低電圧補機５１は、比較的低電圧で作動する補機であり、ラジエータファン、カーナビゲーション、各種のＥＣＵ、イグニッションコイル、その他の電装品等を含む。

高電圧系６は、高電圧バッテリ６０、高電圧補機６１、インバータ６２、およびモータ・ジェネレータ６３を備える。高電圧系６は、例えば車両の駆動に関する電圧システムである。高電圧バッテリ６０は、高電圧の二次電池であり、その電圧は、例えば２００Ｖであるが、低電圧バッテリ５０よりも高電圧であればよく、２００Ｖに限らない。高電圧補機６１は、比較的高電圧で作動する補機であり、電動パワーステアリング装置のモータ等を含む。

ＤＣＤＣコンバータ７は、直流－直流の電圧変換装置であって、双方向に作動可能、すなわち直流電圧の昇圧および降圧が可能に設けられている。第１配線８１および第２配線８２は、電気を伝える導線である。第１配線８１は、発電機４と低電圧系５とを電気的に接続する。第１配線８１には、低電圧バッテリ５０および低電圧補機５１が並列に接続されている。第２配線８２は、第１配線８１と高電圧系６とを電気的に接続する。言い換えると、第２配線８２は、第１配線８１から分岐して高電圧系６に接続する配線の部分である。第２配線８２には、高電圧バッテリ６０、高電圧補機６１およびインバータ６２が並列に接続されている。ＤＣＤＣコンバータ７は、第２配線８２に設けられている。言い換えると、ＤＣＤＣコンバータ７は、発電機４と高電圧系６とを接続する配線のうち、当該配線と第１配線８１との接続部位と、高電圧系６との間に設けられている。さらに言い換えると、発電機４に対して低電圧系５および高電圧系６が並列に接続されており、低電圧系５と高電圧系６との間に介在するＤＣＤＣコンバータ７が、発電機４と高電圧系６とを接続する配線上に設けられている。

車両の制御システムのうち、センサ９は、エンジン２０の冷却水温を検出するセンサ、および車両外部の外気温を検出するセンサ等を含む。ＥＣＵ１０の一部または全部は、例えばマイクロコンピュータまたはマイクロプロセッサユニットで構成されていてよい。マイクロコンピュータ等は、各種演算処理を実行する中央処理ユニット（ＣＰＵ）、各種制御プログラムを格納するリードオンリメモリ（ＲＯＭ）、データ格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、および入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）を有し、これらが双方向性のコモンバスにより互いに接続された一般的な構成であってよい。ＥＣＵ１０は、ＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）等の通信線を介して他のＥＣＵと接続され、制御情報、または制御対象に関連する各種の情報（車速、エンジン２０のトルクおよび回転数等）を相互に通信してもよい。ＥＣＵ１０は、ランキンサイクル３（ポンプ３２等）および高電圧系６（モータ・ジェネレータ６３等）からセンサ信号の入力を受け、ランキンサイクル３（ポンプ３２等）および高電圧系６（インバータ６２等）へ制御信号を出力する。また、ＥＣＵ１０は、低電圧系５から、低電圧系５の消費電流に関する信号（低電圧系５の電流センサが検出した値等）の入力を受ける。さらに、ＥＣＵ１０は、ＤＣＤＣコンバータ７へ制御信号を出力する。なお、ＥＣＵ１０は、発電機４の電圧レギュレータを含んでもよいし、車両の駆動システムを制御するＥＣＵとは別に設けられていてもよい。

［ＥＣＵの概略構成］
以下、図２，３を参照して、本実施形態に係るＥＣＵ１０の構成について説明する。図２に示すように、ＥＣＵ１０は、機能的な各部として、電流取得部１１、データ取得部１２、目標動作点設定部１３、目標出力電流算出部１４、ＤＣＤＣコンバータ制御部１５、およびランキンサイクル制御部１６を備える。電流取得部１１、データ取得部１２、目標動作点設定部１３、目標出力電流算出部１４、およびＤＣＤＣコンバータ制御部１５は、車両の電力制御装置として機能する。

電流取得部１１は、低電圧系５から入力される信号に基づき、低電圧系５の消費電流を取得（具体的には検出もしくは予測。以下同じ。）する。例えば、低電圧系５の電流センサから入力される検出値の変化速度により、将来の所定時点における低電圧系５の消費電流を予測可能である。

データ取得部１２は、センサ９およびランキンサイクル３等から入力される信号に基づき、ランキンサイクル３に関するデータを取得する。ランキンサイクル３に関するデータは、エンジン２０の発熱量（言い換えると排熱量）に関する情報、または、ランキンサイクル３における作動媒体の状態間の変化量に関する情報のうち、少なくとも一方であってよい。エンジン２０の発熱量に関する情報は、エンジン２０の運転状態を示すパラメータであってよく、このようなパラメータとして、エンジン２０の冷却水温、またはエンジン２０の負荷（トルクおよび回転数）のうち少なくとも一方を用いることができる。作動媒体の状態間の変化量に関する情報は、例えば凝縮器３５における作動媒体の凝縮可能量を規定する冷却能力のパラメータであってよく、このようなパラメータとして、作動媒体の温度、外気温、または凝縮器３５を通過する空気の風速のうち、少なくとも１つを用いることができる。凝縮器３５における作動媒体の凝縮量は、作動媒体の冷却に用いられる空気の体積に比例し、この空気の体積は、凝縮器３５を通過する空気の風速と凝縮器３５の面積との積で与えられるからである。凝縮器３５を通過する空気の風速として、例えば車速またはラジエータ風速を用いることができる。また、例えば上記パラメータの変化速度により、将来の所定時点におけるランキンサイクル３に関するデータを予測可能である。

目標動作点設定部１３は、データ取得部１２からの情報に基づき、ランキンサイクル３の目標動作点を設定する。目標動作点設定部１３は、例えば、エンジン２０の排熱からより多くの動力が得られ、より多くの電力を発電できるような高効率点に、ランキンサイクル３の目標動作点を設定する。具体的には、目標動作点設定部１３は、ランキンサイクル３の動作点がより高効率となり最高効率点に近づくような、ポンプ３２および膨張器３４その他の部品の目標動作点を、取得されたエンジン２０の発熱量に関する情報および作動媒体の状態間の変化量に関する情報に基づいて、算出する。

目標出力電流算出部１４は、目標動作点設定部１３からの情報に基づき、発電機４の目標出力電流を算出する。目標出力電流算出部１４は、例えば、ランキンサイクル３を構成する膨張器３４の目標動作点（言い換えると発電機４の目標負荷）に基づき、発電機４の目標トルクを算出し、この目標トルクに基づき、発電機４の目標出力電流を算出する。例えば、ランキンサイクル３の動作点が、その時点における最高効率点または近い将来に予測される最高効率点に近づき、可及的に高効率となるような、発電機４の目標出力電流を算出する。なお、目標出力電流算出部１４は、ランキンサイクル３の目標動作点から、発電機４の目標トルクを算出することなく、テーブル等を用いて直接的に、発電機４の目標出力電流を算出してもよい。

ＤＣＤＣコンバータ制御部１５は、電流取得部１１および目標出力電流算出部１４からの情報に基づき、ＤＣＤＣコンバータ７へ制御信号を出力し、ＤＣＤＣコンバータ７の動作を制御する。具体的には、取得された低電圧系５の消費電流と、高電圧系６の側へのＤＣＤＣコンバータ７の出力電流との和が、算出された発電機４の目標出力電流となるように、ＤＣＤＣコンバータ７を制御する。ここで、「高電圧系６の側へのＤＣＤＣコンバータ７の出力電流」とは、ＤＣＤＣコンバータ７から高電圧系６の側へ出力される電流の値を意味するが、ＤＣＤＣコンバータ７から低電圧系５の側へ電流が出力される場合には、「高電圧系６の側へのＤＣＤＣコンバータ７の出力電流」は負値となる。この場合、ＤＣＤＣコンバータ制御部１５は、取得された低電圧系５の消費電流から、低電圧系５の側へのＤＣＤＣコンバータ７の出力電流を差し引いた値が、算出された発電機４の目標出力電流となるように、ＤＣＤＣコンバータ７を制御する。

ランキンサイクル制御部１６は、目標動作点設定部１３からの情報に基づき、ランキンサイクル３へ制御信号を出力し、ランキンサイクル３の動作が目標動作点となるように制御する。具体的には、ポンプ３２その他のランキンサイクル３を構成する部品の動作を制御する。なお、ランキンサイクル制御部１６が、他の各部１１～１５とは別のＥＣＵに実装されていてもよい。

図３は、ＥＣＵ１０が実行する電力制御の流れを示す。この制御は、所定の周期で繰り返し実行されるものであってよく、コンピュータとしてのＥＣＵ１０を、発電機４の出力電流を制御する電力制御装置として機能させるためのプログラムを含む。ステップＳ１で、電流取得部１１が、低電圧系５の消費電流を取得する。ステップＳ２で、データ取得部１２が、ランキンサイクル３に関するデータを取得する。ステップＳ３で、目標動作点設定部１３が、ランキンサイクル３の目標動作点を設定する。ステップＳ４で、目標出力電流算出部１４が、発電機４の目標出力電流を算出する。ステップＳ５で、ＤＣＤＣコンバータ制御部１５が、ＤＣＤＣコンバータ７の動作を制御する。ステップＳ６で、ランキンサイクル制御部１６が、ランキンサイクル３の動作を制御する。なお、ステップＳ１は、ステップＳ５より前であればよく、ステップＳ２～Ｓ４のいずれかより後または同時に行われてよい。ステップＳ６は、ステップＳ３より後であればよく、ステップＳ４，Ｓ５のいずれかより前または同時に行われてよい。

［電力システムの動作］
以下、図４，５を参照して、本実施形態に係る電力システム１の動作について説明する。図４，５は、ＤＣＤＣコンバータ制御部１５によるＤＣＤＣコンバータ７の制御時の、第１配線８１および第２配線８２における電流の方向を、一点鎖線の矢印で示す。説明のため、電流取得部１１により取得された低電圧系５の消費電流が、低電圧系５の実際の消費電流と等しく、また、目標出力電流算出部１４により算出された発電機４の目標出力電流が、発電機４の実際の出力電流と等しいものとする。

発電機４の目標出力電流が、低電圧系５の消費電流（低電圧バッテリ５０への充電電流も含む。）より小さいとき、図４に示すように、ＤＣＤＣコンバータ７は降圧動作を行うように制御され、高電圧系６の側へのＤＣＤＣコンバータ７の出力電流は負となる。言い換えると、低電圧系５の側へのＤＣＤＣコンバータ７の出力電流が正となる。低電圧系５の消費電流から、低電圧系５の側へのＤＣＤＣコンバータ７の出力電流を差し引いた値が、発電機４の出力電流となるように、ＤＣＤＣコンバータ７が制御される。これにより、高電圧系６の電力が、低電圧系５へ供給され、発電機４の発電電力とともに、低電圧系５で使用（すなわち消費または蓄電）される。

発電機４の目標出力電流が、低電圧系５の消費電流（低電圧バッテリ５０への充電電流も含む。）より大きいとき、図５に示すように、ＤＣＤＣコンバータ７は昇圧動作を行うように制御され、低電圧系５の側へのＤＣＤＣコンバータ７の出力電流は負となる。言い換えると、高電圧系６の側へのＤＣＤＣコンバータ７の出力電流が正となる。低電圧系５の消費電流と、高電圧系６の側へのＤＣＤＣコンバータ７の出力電流との和が、発電機４の出力電流となるように、ＤＣＤＣコンバータ７が制御される。これにより、発電機４の発電電力が、低電圧系５へ供給されるとともに、高電圧系６へ供給され、低電圧系５および高電圧系６で使用（すなわち消費または蓄電）される。

すなわち、発電機４の発電電力は、常時、第１配線８１を介して低電圧系５へ供給される。これにより、排熱から回収される電力を有効活用して低電圧補機５１を作動させることができる。なお、発電機４の出力電圧が一定値に保たれることで、低電圧補機５１を円滑に作動させることができる。発電機４としてオルタネータを用いる場合、内蔵の電圧レギュレータによって簡便に、発電機４の出力電圧を一定値に保つことができる。また、発電機４の発電電力が、低電圧系５の消費電力を下回るときは、高電圧系６の電力がＤＣＤＣコンバータ７を介して低電圧系５へ供給されることで、低電圧補機５１をより確実に作動させることができる。一方、発電機４の発電電力が、低電圧系５の消費電力を上回るときは、低電圧系５の側における余剰の電力がＤＣＤＣコンバータ７を介して高電圧系６へ供給され、例えば高電圧バッテリ６０に蓄えられることで、排熱から回収された電力を、電力システム１の全体において効率よく利用することができる。なお、発電機４は、オルタネータに限らない。この場合、ＥＣＵ１０は、発電機４の出力電圧を制御するように設けられてもよい。例えば、ＥＣＵ１０は、発電機４の目標出力電圧を得るための発電機４のロータコイルの電流値を算出し、この値が実現されるように上記ロータコイルの電流を制御してもよい。

［効果］
以下、本実施形態の上記構成から得られる各効果を説明する。

車両は、エンジン２０を含むとともに、電力システム１として、ランキンサイクル３と、発電機４と、低電圧バッテリ５０を備えた低電圧系５と、高電圧バッテリ６０を備えた高電圧系６と、ＤＣＤＣコンバータ７と、第１配線８１と、第２配線８２と、を含む。エンジン２０は、発熱体として機能する。ランキンサイクル３および発電機４は、エンジン２０の排熱を用いて発電を行う排熱回収装置として機能する。第１配線８１は、発電機４と低電圧系５とを接続する。第２配線８２は、第１配線８１と高電圧系６とを接続する。ＤＣＤＣコンバータ７は、第２配線８２に設けられ、昇圧および降圧が可能である。よって、電力制御装置としてのＥＣＵ１０が、電力システム１のＤＣＤＣコンバータ７を制御する場合、低電圧系５の側と高電圧系６との間で電力の授受が行われると同時に、この電力の授受により、発電機４の出力電流を制御することができる。これにより、排熱回収装置における発電の制御（具体的には、出力電流の制御による発電機４の回転軸のトルク制御）と、低電圧系５の側と高電圧系６との間での電力授受の制御とを、１つのＤＣＤＣコンバータ７の制御により実現できる。言い換えると、排熱回収装置における発電を制御するための電力変換装置と、低電圧系５の側と高電圧系６との間で電力を融通するための電力変換装置とが、１つの電力システム１において、共通化されている。よって、排熱回収装置における発電を制御することで排熱から効率よく電力を回収可能であり、低電圧系５と高電圧系６との間での電力の授受により電力の有効利用が可能でありつつ、部品点数が抑制され、小型化が可能であり、車両の省スペース化を図ることができる電力システム１が実現される。

ここで、排熱回収装置における発電の制御は、高電圧系６への電流の出し入れによって行われるので、排熱回収装置によって発電されたエネルギを無駄にすることなく有効活用できる。また、車両がＨＥＶを含む電動車両である場合、低電圧系と高電圧系との間に、少なくとも降圧可能なＤＣＤＣコンバータが設けられることが多い。よって、本実施形態のようなＤＣＤＣコンバータ７を設けても、新たに部品点数を増大することにはならない。車両において、低電圧系と高電圧系との間に双方向に作動可能なＤＣＤＣコンバータが元々設けられている場合、このＤＣＤＣコンバータと低電圧系とを接続する配線に、排熱回収装置の発電機を接続すれば、本実施形態の電力システム１を実現することが可能である。このように車両に元から備わっている部品を利用する場合、電力システム１を簡素化しつつ、排熱から電力を回収するための発電制御を行う構成を簡便に得ることができる。また、ＤＣＤＣコンバータ７を制御するためのＥＣＵ１０として、排熱回収装置を制御するために元々設けられていたＥＣＵを用いてもよいし、低電圧系５と高電圧系６との間における電力時の授受を制御するために元々設けられていたＥＣＵを用いてもよいし、その他のＥＣＵを用いてもよい。

電力制御装置としてのＥＣＵ１０は、ＤＣＤＣコンバータ７を制御することにより、排熱回収装置としてのランキンサイクル３および発電機４における発電の効率が高くなるように、発電機４の出力電流を制御するように設けられてよい。この場合、ＤＣＤＣコンバータ７を制御することにより、低電圧系５の側と高電圧系６との間で電力を融通しつつ、発電機４のトルクを制御することで、排熱回収装置の動作点を高効率化し、排熱からより多くの電力を回収することができる。このため、電力システム１を全体として高効率化することができる。

電力制御装置としてのＥＣＵ１０は、低電圧系５の消費電流と、高電圧系６の側へのＤＣＤＣコンバータ７の出力電流（正値または負値）との和が、発電機４の出力電流となるように、ＤＣＤＣコンバータ７を制御するように設けられてよい。例えば、ＥＣＵ１０は、低電圧系５の消費電流から、低電圧系５の側へのＤＣＤＣコンバータ７の出力電流（正値）を差し引いた値が、発電機４の出力電流となるように、ＤＣＤＣコンバータ７を制御するように設けられてよい。この場合、ＤＣＤＣコンバータ７を制御することにより、発電機４の出力電流を無駄にすることなく、低電圧系５と高電圧系６との間で電力を融通ないし出し入れすることができる。すなわち、発電電力を無駄なく有効利用することが可能となる。

電力制御装置としてのＥＣＵ１０は、低電圧系５の消費電流を取得し、排熱回収装置としてのランキンサイクル３の目標動作点に基づいて発電機４の目標出力電流を算出し、取得した低電圧系５の消費電流と、高電圧系６の側へのＤＣＤＣコンバータ７の出力電流との和が、算出した発電機４の目標出力電流となるように、ＤＣＤＣコンバータ７を制御するように設けられてよい。この場合、実際に取得した低電圧系５の消費電流を用いて発電機４の出力電流を制御することで、より確実に、発電機４の出力電流を無駄にすることなく、有効活用するように、低電圧系５と高電圧系６との間で電力を融通することができる。

電力制御装置としてのＥＣＵ１０は、低電圧系の消費電流を予測により取得するように設けられてもよい。この場合、予測により取得した低電圧系５の消費電流を用いることで、電力の余剰または不足を生じることなく、発電機４の出力電流を制御することが可能となる。

電力制御装置としてのＥＣＵ１０は、発熱体としてのエンジン２０の発熱量に関する情報に基づいて、排熱回収装置としてのランキンサイクル３の目標動作点を算出し、ランキンサイクル３の目標動作点に基づいて発電機４の出力電流を制御するように設けられてよい。この場合、発熱量に関する情報を用いることで、より確実に、排熱回収装置の動作点を高効率とし、効率の良い発電出力を得ることができる。

上記発熱体は、内燃機関としてのエンジン２０であり、エンジン２０の発熱量に関する情報は、エンジン２０の冷却水温であってよい。この場合、エンジン２０の冷却水温を用いて、簡便に、エンジン２０の発熱量に関する情報を得ることができ、この情報に基づき効率の良い発電出力を得ることができる。なお、エンジン２０の発熱量に関する情報は、エンジン２０の負荷（例えば回転数およびトルク）であってよい。また、上記発熱体は、燃料電池自動車における燃料電池、または、ＥＶにおける電池であってもよい。発熱体が燃料電池である場合、燃料電池の発熱量に関する情報は、燃料電池の電流または検出温度等であってよい。発熱体がＥＶにおける電池である場合、電池の発熱量に関する情報は、電池の電流値または検出温度等であってよい。

上記排熱回収装置は、作動媒体の状態変化の過程を組み合わせたサイクルとしてのランキンサイクル３を含み、作動媒体の流れにより発電機４の動力を生成するように設けられてよい。電力制御装置としてのＥＣＵ１０は、作動媒体の状態間の変化量に関する情報に基づいてランキンサイクル３の目標動作点を算出し、ランキンサイクル３の目標動作点に基づいて発電機４の出力電流を制御するように設けられてよい。この場合、排熱回収装置として、作動媒体の状態変化の過程を組み合わせたサイクルを用いることで、発熱体の排熱を効率的に動力へ変化させることができる。この動力を用いて発電することで、排熱エネルギを電力として効率的に回収することができる。また、作動媒体の状態間の変化量に関する情報を用いて制御することで、より確実に、上記サイクルを含む排熱回収装置の動作点を高効率とし、効率の良い発電出力を得ることができる。なお、ランキンサイクル３の具体的な構成は、本実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。例えば、膨張器３４のタービンと発電機４の回転軸とは、ＥＣＵ１０からの動作指示に基づいて締結・開放が制御される電磁クラッチ等を介して、互いに接続されていてもよい。また、上記のようなサイクルは、ランキンサイクル３に限らず、スターリングサイクル等であってもよい。また、上記排熱回収装置は、排熱を電力に変換することができればよく、排熱から動力を生成する上記のようなサイクルに限らず、例えば半導体または合金等の熱電素子（または熱電変換素子）を用いた排熱回収装置であってもよい。

ランキンサイクル３は凝縮器３５を含み、上記作動媒体の状態間の変化量に関する情報は、外気温または凝縮器３５を通過する空気の風速（例えば車速）のいずれかを含んでよい。この場合、作動媒体を冷却する凝縮器３５における上記変化量を、外気温または上記風速を用いて、簡便に検出または推定することができ、この情報に基づき効率の良い発電出力を得ることができる。なお、上記変化量に関する情報は、外気温等に限らず、例えば、作動媒体を圧縮するポンプ３２の作動状態に関するパラメータ（例えば回転数または吐出流量）であってもよい。排熱回収装置として上記のような熱電素子を用いる場合、ＥＣＵ１０のランキンサイクル制御部１６は不要となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１電力システム
２０エンジン（発熱体）
３ランキンサイクル（排熱回収装置）
４発電機（排熱回収装置）
５低電圧系
５０低電圧バッテリ（低電圧二次電池）
６高電圧系
６０高電圧バッテリ（高電圧二次電池）
７ＤＣＤＣコンバータ
８１第１配線
８２第２配線

Claims

車両の電力システムであって、
発熱体の排熱を用いて発電を行う発電機を備えた排熱回収装置と、
低電圧二次電池を備えた低電圧系と、
高電圧二次電池を備えた高電圧系と、
前記発電機と前記低電圧系とを接続する第１配線と、
前記第１配線と前記高電圧系とを接続する第２配線と、
前記第２配線に設けられ、昇圧および降圧が可能なＤＣＤＣコンバータと、
電力制御装置と、を含み、
前記電力制御装置は、前記低電圧系の消費電流と、前記高電圧系の側への前記ＤＣＤＣコンバータの出力電流との和が、前記発電機の出力電流となるように、前記ＤＣＤＣコンバータを制御する、
車両の電力システム。
車両の電力制御装置であって、
前記車両は、
発熱体と、
前記発熱体の排熱を用いて発電を行う発電機を備えた排熱回収装置と、
低電圧二次電池を備えた低電圧系と、
高電圧二次電池を備えた高電圧系と、
前記発電機と前記低電圧系とを接続する第１配線と、
前記第１配線と前記高電圧系とを接続する第２配線と、
前記第２配線に設けられ、昇圧および降圧が可能なＤＣＤＣコンバータと、を含み、
前記電力制御装置は、前記低電圧系の消費電流と、前記高電圧系の側への前記ＤＣＤＣコンバータの出力電流との和が、前記発電機の出力電流となるように、前記ＤＣＤＣコンバータを制御することにより、前記発電機の出力電流を制御するように設けられている、
車両の電力制御装置。
前記電力制御装置は、
前記低電圧系の消費電流を取得し、
前記排熱回収装置の目標動作点に基づいて前記発電機の目標出力電流を算出し、
取得した前記低電圧系の消費電流と、前記高電圧系の側への前記ＤＣＤＣコンバータの出力電流との和が、算出した前記発電機の前記目標出力電流となるように、前記ＤＣＤＣコンバータを制御することにより、前記発電機の出力電流を制御するように設けられている、請求項２に記載の車両の電力制御装置。
前記電力制御装置は、前記低電圧系の消費電流を予測により取得するように設けられている、請求項３に記載の車両の電力制御装置。
前記電力制御装置は、前記ＤＣＤＣコンバータを制御することにより、前記排熱回収装置における発電の効率が高くなるように、前記発電機の出力電流を制御するように設けられている、請求項２～４のいずれか１項に記載の車両の電力制御装置。
前記電力制御装置は、前記発熱体の発熱量に関する情報に基づいて前記排熱回収装置の目標動作点を算出し、前記排熱回収装置の前記目標動作点に基づいて前記発電機の出力電流を制御するように設けられている、請求項２～５のいずれか１項に記載の車両の電力制御装置。
前記発熱体は、内燃機関であり、前記発熱体の発熱量に関する情報は、前記内燃機関の冷却水温である、請求項６に記載の車両の電力制御装置。
前記排熱回収装置は、作動媒体の状態変化の過程を組み合わせたサイクルを含み、前記作動媒体の流れにより前記発電機の動力を生成するように設けられ、
前記電力制御装置は、前記作動媒体の状態間の変化量に関する情報に基づいて前記排熱回収装置の目標動作点を算出し、前記排熱回収装置の前記目標動作点に基づいて前記発電機の出力電流を制御するように設けられている、請求項２～７のいずれか１項に記載の車両の電力制御装置。
前記サイクルは凝縮器を含み、
前記作動媒体の状態間の変化量に関する情報は、外気温または前記凝縮器を通過する空気の風速のいずれかを含む、請求項８に記載の車両の電力制御装置。
車両の電力制御方法であって、
前記車両は、
発熱体と、
前記発熱体の排熱を用いて発電を行う発電機を備えた排熱回収装置と、
低電圧二次電池を備えた低電圧系と、
高電圧二次電池を備えた高電圧系と、
前記発電機と前記低電圧系とを接続する第１配線と、
前記第１配線と前記高電圧系とを接続する第２配線と、
前記第２配線に設けられ、昇圧および降圧が可能なＤＣＤＣコンバータと、を含み、
電力制御装置が、前記低電圧系の消費電流と、前記高電圧系の側への前記ＤＣＤＣコンバータの出力電流との和が、前記発電機の出力電流となるように、前記ＤＣＤＣコンバータを制御することにより、前記発電機の出力電流を制御すること、を含む、
車両の電力制御方法。
コンピュータを、
発熱体と、
前記発熱体の排熱を用いて発電を行う発電機を備えた排熱回収装置と、
低電圧二次電池を備えた低電圧系と、
高電圧二次電池を備えた高電圧系と、
前記発電機と前記低電圧系とを接続する第１配線と、
前記第１配線と前記高電圧系とを接続する第２配線と、
前記第２配線に設けられ、昇圧および降圧が可能なＤＣＤＣコンバータと、
を含む車両の前記ＤＣＤＣコンバータを、前記低電圧系の消費電流と、前記高電圧系の側への前記ＤＣＤＣコンバータの出力電流との和が、前記発電機の出力電流となるように制御することにより、前記発電機の出力電流を制御する電力制御装置、
として機能させるためのプログラム。