WO2004066472A1

WO2004066472A1 - バッテリ用電力回路

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Publication number: WO2004066472A1
Application number: PCT/JP2003/014664
Authority: WO
Inventors: Tatsuya Okuda; Takahiro Urakabe
Original assignee: Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
Priority date: 2003-01-24
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2004-08-05
Also published as: CN1703816A; JPWO2004066472A1; US20050099155A1; CN100444495C; US7221064B2; US20060097579A1; JP3977841B2; US7023107B2; EP1587201A1; EP1587201A4

Abstract

この発明は、連続してアイドルストップ動作を行った場合でも、始動時のモータへの供給電力の低下を防止し、所定のエンジン回転数を得ることができるバッテリ用電力回路を得ることを目的としている。この発明のバッテリ用電力回路は、電力供給対象である負荷（図示せず）が接続されるバッテリ１と、コンデンサ群２とを互いに直列に接続した直列接続電源と、バッテリ１とコンデンサ群２との間、および、バッテリ１と負荷との間で電力を移行させるためのＤＣ／ＤＣコンバータ３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の制御を行う制御装置５とを備え、制御装置５は、コンデンサ群２の電圧を検知し、検知した電圧が第１の閾値電圧（例えば、４．０Ｖ）より小さい場合はＤＣ／ＤＣコンバータ３により、コンデンサ群２への充電を行う。

Description

明細書バッテリ用電力回路技術分野

この発明はバッテリ用電力回路に関し、特に、自動車等の車両に搭載されて用いられるバッテリ用電力回路に関する。背景技術

従来のバッテリ用電力回路は、電動機の始動時およびカ行時の出力電力を確保しつつ、コンデンサ容量を低減するために、 1 2 Vバッテリと直列にコンデンサ (又は小容量の高出力バッテリ ) を接続し、それらのエネルギー移行のための小容量の D CZD Cコンバータを付加している。このバッテリ用電力回路では、電動機のカ行時に D C/D Cコンバータを昇圧動作させることで、比較的小容量のコンデンサ容量（又は比較的小容量のバッテリ）で所望の出力を得ることが可能となる（例えば、特開 2 0 0 2— 2 1 8 6 6 7号公報（図 3 ) 参照。）。

従来のバッテリ用電力回路において、アイドルストップ動作（停止 Z始動動作）を連続して行うと、バッテリ群に直列接続されたコンデンサ群への再充電が不十分となり、ィンバータを介してモータへ十分な電力を供給することができなくなり、車両のモータによる所定の始動動作ができなくなるという問題点があつた。所定の始動動作というのは、モータによりエンジン回転を停止状態からアイドル回転（エンジン回転で 8 0 0 r p m程度）域まで上げる動作のことである。また、コンデンサの電圧不足のため、十分なモータ出力を得ることができなくなり、モータでの始動ができなくなるという問題点があった。

また、アイドルストップ動作が連続すると、コンデンサへの再充電時間が十分とれなくなるため、始動動作時のコンデンサ電圧が様々な値になり、その状態で始動動作を行うことになる。始動動作時、コンデンサ電圧に依らず一定出力で D

CZD Cコンバータを動作させると、コンデンサ電圧値に寄ってはバッテリ、コンデンサ、 D C /D Cコンバータで構成されるノッテリ駆動回路システム全体の効率が悪くなるという問題点があった。効率の悪化はシステム全体としての発熱量の増大をまねき、特に、発熱による温度上昇によるコンデンサの寿命劣化、そして、他の機器への加熱という問題が懸念される。

また、コンデンサゃバッテリには内部抵抗が存在するため、エンジン再始動時等の大電力出力時には、内部抵抗による電圧ドロップのため、バッテリに接続された他の車載機器に悪影響を及ぼす可能性があった。特に、コンデンサの充電電圧が低い場合ゃバッテリの S O C ( S t a t e O f C h a r g e ) が低い場合には、エンジン再始動に必要なバッテリ電流が増加し、バッテリ出力電圧が低下するという問題点があつた。

エネルギー回生時において、電動機によって発電したエネルギーは、バッテリとコンデンサの直列体に充電する。バッテリとしての鉛酸蓄電池の許容出力電力密度は 1 0 O W/ k g〜2 0 O W/ k g程度と低く、許容入力電力密度はさらに低い。このため、回生時の充電電流は、バッテリの許容入力電流によって決まつていた。なお、バッテリの許容入力電力密度は、バッテリの電圧がほぼ一定であるので、許容入力電流に比例する。そのため、コンデンサの高速充電特性を利用できず、電動機の発電電力を制限する必要があつた。発明の開示

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、連続してァィドルストップ動作を行った場合でも、始動時のモータへの供給電力の低下を防止し、所定のエンジン回転数を得るためのバッテリ用電力回路を得ることを目的とする。

また、第 2の目的は、車両制動時などに電動機により発電される瞬時的な大きなエネルギーを、バッテリへのダメージを与えることなく回生するバッテリ用電力回路を得ることである。

この発明に係るバッテリ用電力回路は、第 1のエネルギー蓄積源と、上記第 1 のエネルギー蓄積源に直列に接続された第 2のエネルギー蓄積源と、上記第 1のエネルギー蓄積源と上記第 2のエネルギー蓄積源との間で電力を変換する D C /

D Cコンバータと、上記 D C /D Cコンバータを制御する制御手段とを備えている。

この発明の上記制御手段は、上記直列接続電源の第 1および第 2のエネルギー蓄積源のうち、高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源の電圧を検知し、検知した電圧が所定の第 1の閾 ί直電圧より小さい場合は上記 D C ZD Cコンバータにより、上記高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源への充電を行うので、連続してアイドルストップ動作を行った場合でも、始動時のモータへの供給電力の低下を防止し、所定のエンジン回転数を得ることができる。

また、この発明は、車両の車軸に連結した電動機と上記直列接続された上記第 1のエネルギー蓄積源および上記第 2のエネルギー蓄積源との間で電力を変換する電力変換回路をさらに備え、制御手段は、上記電動機の回生電力が上記電力変換回路から上記第 1のエネルギー蓄積源と上記第 2のエネルギー蓄積源とに充電されるとき、上記第 1のエネルギー蓄積源の入力電流が上記第 1のエネルギー蓄積源の許容入力電流以下になるように上記 D C ZD Cコンバータを制御するので、バッテリおよびコンデンサの充電電力を増加することができる。図面の簡単な説明 '

図 1は、本発明に係るバッテリ用電力回路の構成を示した構成図である。

図 2は、本発明に係るバッテリ用電力回路に設けられた D CZD Cコンバータの制御条件を決定するための計算モデルを示した説明図である。

図 3は、本発明に係るバッテリ用電力回路に設けられた各 D C /D Cコンバータ出力におけるコンデンサ群の充電電圧と出力電圧の関係を示した説明図である。図 4は、従来のバッテリ用電力回路におけるコンデンサ初期電圧値とアイドルスタート回数（連続動作）との関係を示した説明図である。

図 5は、本発明に係るバッテリ用電力回路における制御方法を示した流れ図である。

図 6は、本発明に係るバッテリ用電力回路におけるバッテリ電圧とモータを所望の回転数まで上昇させることができるコンデンサの閾値電圧との関係を示した説明図である。

図 7は、本発明に係るバッテリ用電力回路における D C /D C出力電力毎のコンデンサ電圧と、ノッテリとコンデンサ群と D CZD Cコンバータを 1つの電力回路とみた場合のシステム効率との関係を示した説明図である。

図 8は、本発明に係るバッテリ用電力回路におけるコンデンサ電圧と D C/D Cコンバータの出力閾値電圧との関係を示した説明図である。

図 9は、本発明の実施の形態 2に係るバッテリ用電力回路の動作を示した流れ図である。

図 1 0は、本発明の実施の形態 2に係るバッテリ用電力回路における D C/D Cコンバータ出力とバッテリ端子電圧との関係を示した説明図である。

図 1 1は、この発明の実施の形態 3に係るバッテリ用電力回路の構成を示す回路図である。

図 1 2は、図 1 1の制御回路の詳細なプロック図である。

図 1 3は、図 1 1の回生制御のフローチャートである。

図 1 4は、図 1 1の回生制御のフローチャートである。

図 1 5は、図 1 1のバッテリ用電力回路の充電する様子を示す図である。図 1 6は、バッテリの許容入力電力を 1 k Wとしたときの、コンデンサ電圧とバッテリ用電力回路の最大回生電力との関係を示す図である。

図 1 7は、比較的短時間で大きな車両制動力が要求された時に、バッテリ用電力回路に回生する回生電力を示す。

図 1 8は、この発明の実施の形態 4に係わるバッテリ用電力回路の回生制御のフローチヤ一トである。

図 1 9は、この発明の実施の形態 4に係わるバッテリ用電力回路の回生制御のフローチヤ一トである。

図 2 0は、図 1 8および図 1 9のフローチヤ一トで充電する様子を示す図である。

図 2 1は、この発明の実施の形態 5に係わるバッテリ用電力回路の回生制御のフローチャートである。

図 2 2は、この発明の実施の形態 5に係わるバッテリ用電力回路の回生制御のフローチャートである。 '

図 2 3は、この発明の実施の形態 6に係わるバッテリ用電力回路の回生制御のフローチヤ一トである。

図 2 4は、この発明の実施の形態 6に係わるバッテリ用電力回路の回生制御のフローチヤ一トである。発明を実施するための最良の形態

実施の形態 1 .

図 1は、本発明の実施の形態に係るバッテリ用電力回路の構成を示した回路図である。図示されているように、バッテリ（第 1のバッテリ群） 1と、第 2のバッテリ群としてのコンデンサ群 2とが直列接続されて、直列接続電源を構成している。コンデンサ群は大容量のキャパシタであり、例えば電気二重層キャパシタやアルミ電解コンデンサ等が使用できる。図 1には表記していないが、バッテリ

1には車載機器等の電気負荷（図示せず、特許文献 1参照）が接続される。なお、以下の説明においては、バッテリ 1が、上記直列接続電源のうち、低電圧側に配置されたエネルギー蓄積源であり、コンデンサ群 2が、上記直列接続電源のうち、高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源であるとする。 3はバッテリ 1とコンデンサ群 2との間に挿入された D CZD Cコンバータであり、上アームスィッチとしての MO S F E T (スィツチング素子) 3 1、下アームスィッチとしての MO

S F E T (スイッチング素子） 3 2、インダクタンス 3 3、平滑コンデンサ 3 4 によって構成されている。 4はバッテリ 1とコンデンサ群 2の直列対の両端に接続された電力変換回路で、バッテリ 1とコンデンサ群 2のエネルギーと、電動機

(モータ) 9のエネルギーの電力変換を行っている。 1 0はエンジンで、電動機

9に直結またはベルト等を介して機械的に接続されることで、エンジン 1 0と電動機 9の動力伝達が行われる。 5は D C /D Cコンバータ 3の出力指令信号を与えるための制御装置で、バッテリ 1の端子間電圧、平滑コンデンサ 3 4の端子間電圧、電力変換回路 4の入力電流に応じて、 MO S F E T 3 1および MO S F E

T 3 2に指令信号を出力する。

なお、 D CZD Cコンバータ 3の構成については、図 1に示したものの他に、種々の方式が考えられるが、基本的にバッテリ 1とコンデンサ群 2間の電力電送が行えるものであれば、どの方式でもよい。また、 D CZD Cコンバータ 3には MO S F ET 3 1 , 32を使用しているが、 I GBTやバイポーラトランジスタ等の半導体素子を用いるようにしても構わない。

また、図 1には記載していないが、バッテリ 1とコンデンサ群 2には内部抵抗が存在し、バッテリ 1やコンデンサ群' 2に大電流が流れると、その内部抵抗によつて電圧ドロップが発生し、電力変換回路 4には、バッテリ 1とコンデンサ群 2 の合計電圧から各々の電圧ドロップを引いた電圧が印加される。

次に、動作について説明する。本発明は、 DC/DCコンバータ 3の制御方法に関するものである。以下においては、本発明についてある一つの条件を例にとつて説明する。ノッテリ 1は出力電圧 1 2 V、内部インピーダンス 8πιΩである。コンデンサ群 2は、耐電圧 2. 5 V、内部インピーダンス 8 ΙΏΩ、容量 10 O F の電気二重層キャパシタを 3並列 4直列に接続したコンデンサプロックである。コンデンサ群 2の最大電圧は 10Vということになる。始動動作時、電力変換回路 4には、バッテリ 1の電圧 1 2 Vが加えられて最大 22 Vが印加されている。これは、始動時、電力変換回路 4の入力電圧をバッテリ電圧以上にして、高出力化し、所定のモータ回転数（アイドル回転数、エンジン回転数で 800 r pm程度、モータ回転数で 2000 r 程度）に達するまで、電動機 9のみで上げるためである。

図 2に本発明の DC/DCコンバータ 3の制御条件を決めるための計算モデルを示す。始動時の動作時間は 0. 3秒程度と短いため、コンデンサ群 2を電源と見なし、 'コンデンサ電圧の過渡的な変化を無視している。 ηは効率であり、 DC /DCコンバータ 3の出力電力 0. 5 kW〜2 kWで、 0. 975〜0. 9と変化するとした。 nは昇圧比、 AVはコンデンサ群 2のコンデンサ電圧、 rはコンデンサ内部抵抗、 Vはバッテリ 1のバッテリ電圧、 Rはバッテリ内部抵抗である。計算モデルから得られる方程式を以下に示す。

Void

二 (1)

Idc = - (2)

n

R(I、+I₂) + Vi" = V (3) Iout = Idc + I₂ (4)

Pdc = IdcVout (5)

R(7, + /, ) + rl₂ + owt = F + Λ V (6)

上式を解くとにより、 DCZDCコンバータ 3の出力毎のコンデンサ群 2の充電電圧（図中、積み上げ電圧）と出力電圧（V o u t、電力変換回路 4入力電圧）の関係を導くことができる。出力条件は、電動機 9の所定のモータ出力を得ることができる 4 kWである。

図 3に各 DC/DCコンバータ 3の出力におけるコンデンサ群 2の充電電圧と出力電圧の関係を示す。上記の所定の始動動作を満足するには、出力電圧（電力変換回路 4の入力電圧）が 1 0 V以上必要である。なぜなら、始動動作時、モータ回転数が上がってくると、電動機 9自身が発生する逆起電圧により、電圧が低レ、と電動機 9へ電流が流せなくなり、モータ出力を得ることができなくなるためである。また、本発明の実施の形態において、 DC/DCコンバータ 3の最大出力電力は 2 k Wである。図 3より、積み上げ電圧 4 V未満においては出力電圧が

1 0V以上得られないことがわかる。また、同図より、積み上げ電圧 4Vでは D

CZDC出力 2 kWが必要なこともわかる。

このように、本実施の形態において、積み上げ電圧が 4 V未満では所定の出力

( 1 0 V以上、 4 kW) が得られないことがわかる。本実施の形態では、アイドル停止がら再始動までの時間を利用して D C/D Cコンバータ 3を昇圧動作させることによりコンデンサ群 2を充電するか、車両の走行時に電動機 9から発電される電力を利用して充電している。そのときの充電電圧は耐圧近くの約 1 0 Vである。 D C/D Cコンバータ 3を用いて充電する場合、充電時間は数秒程度である。しかし、停止一始動動作が連続して発生する場合、コンデンサ群 2への充電時間を十分とることができなくなるため、コンデンサ電圧が徐々に低下してしまい、最終的には電圧不足になり、所定のモータ出力が得られなくなる。図 4に、コンデンサ満充電状態から再充電なレに連続してアイドルストップ動作をした場合の、アイドルストップ回数とそのときのコンデンサ群 2の初期電圧値の関係を示す。 4 kWを 0. 3秒間、電力変換回路 4へ出力した場合の計算結果である。このとき、 DCZDCコンバータ 3は、バッテリ 1、コンデンサ群 2、 DC/D Cコンバータ 3で構成されるシステムが最大効率となるように DC/DCコンパータ 3の出力を制御している。この最大効率制御に関しては、後で説明する。図 4より、コンデンサ電圧はアイドルストップ動作を 9回連続で行うと、 9回目のコンデンサ初期充電電圧が 3. 2 V程度となり、所定のモータ出力が得られなくなることがわかる。本発明の実施の形態では、アイドルストップ動作が連続した場合においても所定のモータ出力が得られるように、図 5に示すようなェンジン 10、電動機 9、電力変換回路 4を含めたシステム的な制御を行っている。動作について図 5を用いて説明する。まず、車両が停止しエンジンを停止する場合は、コンデンサ電圧 V cを検知し（ステップ S 1) 、その電圧が 4 V (第 1 の閾値電圧）未満か否かを判定する (ステップ S 2) 。 4 V未満の場合は、アイドル状態を維持する (ステップ S 3) 。そして、そのままアイドル状態を維持しつつ、 DC/DCコンバータ 3を動作させ、コンデンサ電圧 V cを昇圧して、コンデンサ電圧 V cが 4 V以上になるようにコンデンサ群 2への充電を行う (ステップ S4) 。一方、ステップ S 2の判定において、コンデンサ電圧 V cが 4 V以上の場合は、エンジン 10を停止させる (ステップ S 5) 。コンデンサ電圧 Vc が不十分で始動する場合は（すなわち、 4V未満のとき）、エンジ 10はステップ S 3においてアイドル状態であるから、ステップ S 5のアイドル停止なしに始動することになる。この制御方法により、電圧不十分による電動機 9による始動不能状態への懸念が無くなり、また、電圧不足でモータ始動した場合の所定のエンジン回転数以下でのエンジン点火による有害排気物量の増大といった問題も無くなる。

また、バッテリ 1の電圧を検知し、バッテリ 1の電圧に応じてコンデンサ電圧の第 1の閾値電圧 (本実施の形態では 4 V) を調整する事で、アイドルストップ後のモータ始動をより確実に行う事が可能となる。以下、その制御方法について ¾dへる。

ノッテリ 1はその SOC (S t a t e O f Ch a r g e) によって、無負荷時の出力電圧 Vが若干変化し、 1 2 Vバッテリであれば ±1 V〜±2 V程度の電圧変動を伴う。 1 2 Vバッテリの電圧値が変動すると、バッテリ 1の最大出力電力も変動するため、電力変換回路 4に所望の電力や電圧（本実施の形態では、 4 kW/10V以上）を供給できなくなり、モータ始動不足になる可能性がある。図 6に、バッテリ電圧とモータを所望の回転数まで上昇させる事ができるコンデンサ群 2の閾値電圧との関係を示す。バッテリ電圧が 1 2 Vの時のコンデンサ群 2の閾値電圧は 4 Vであったのに対し、バッテリ電圧が 1 1 Vに低下するとコンデンサ群 2の閾値電圧は 5. 5Vに上昇する。逆に、バッテリ電圧が 1 3Vの時のコンデンサの閾値電圧は 2. 5 Vに低下する。このように本実施の形態では、バッテリ群 1の S〇Cが高い（バッテリ電圧が高い）時にはコンデンサ電圧の第 1の閾値電圧を低くし、バッテリ群 1の SOCが低い（バッテリ電圧が低い）時にはコンデンサ電圧の第 1の閾値電圧を高くする事で、アイドルストップによるエンジン再始動を確実に行う事ができる。

次に、本発明の実施の形態のもう一つの DC/DCコンバータ制御 (最大効率制御）に関して説明する。上述の（1) 〜（6) 式を用いて計算した、 DCZD C出力電力毎のコンデンサ電圧（図中、積み上げ電圧）と、バッテリ群 1とコンデンサ群 2と DC/DCコンバータ 3を一つの電力回路とみた場合のシステム効率の関係を図 7に示す。出力条件は 4 k Wである。図からわかるように、各コンデンサ電圧条件においてシステムの最大効率が得られる D C/D Cコンバータ 3 の駆動出力条件は異なり、各コンデンサ電圧にぉレ、て最適条件があることがわかる。コンデンサ電圧値が一定値にできない理由は上述の通りである。 ' 最大効率が得られる条件で、アイドルストップ状態から電動機 9によってェンジン 10を始動動作させることのメリットは、同じ出力を得るのに効率が良い分だけ、発熱がシステムとして小さいということである。効率最大条件で電力回路を動作させることにより、発熱が最小限に抑えることが可能となり、特にコンデンサ群 2の発熱が大幅に抑制される。コンデンサ群 2の発熱が抑えられることにより、コンデンサ群 2の温度上昇による寿命劣化の問題が無くなり、さらに、ェンジンルームに配置される電力回路全体の発熱が抑えられることにより、他の機器への加熱という問題も小さくなる。図 7において、例えば、積み上げ電圧 6 V とした場合、 DC/DCコンバータ出力 0Wでは瞬時発熱 2260Wであるのに対して、 DC/DCコンバータ 6を 1. 5 kW動作させると 1 530Wの瞬時発熱量に低下することがわかる。また、 1 OVのポイントをみると、 DCZDCコンバータ 6を 2 kW動作させると、瞬時 1 26 OW発熱するのに対して、 0. 5 kW動作では瞬時 880Wになることがわかる。

よって、本発明の実施の形態においては、コンデンサ電圧を検知しその電圧値に対応して DCZDCコンバータ 3の出力電力を制御している。図 8に、本実施の形態のコンデンサ電圧（図中、積み上げ電圧）と DC/DCコンバータ 3の出力閾値電圧の関係を示す。図 8は図 7から求めている。本発明の実施の形態は、図 8に示したように、コンデンサ電圧の値に応じて DC/DCコンバータ 3の出力電力値を調節できるようになっているため、電力回路を最大効率になるように動作できる。

本実施の形態は、 DC/DCコンバータ 3の出力電力値をコントロールするため、バッテリ 1から DC/DCコンバータ 3への電流とバッテリ 1の電圧とを検知し、出力目標電流値を制御回路 8内で設定され、検知された電流値と目標電流値との比較により、スィッチング素子である MOSFET 32のゲート電圧信号のデューティー比を調節している。

第 2のエネルギー蓄積源としてコンデンサ群を用いた形態について述べてきた、このコンデンサ群をバッテリに置き換えても同様の効果が得られることは言うまでもない。（バッテリも放電を繰り返すと出力電圧が低下する。）

なお、上記の説明においては、上述のある条件において本発明の効果を説明したが、この場合に限らず、ノッテリ、コンデンサの内部インピーダンス、 DC/ DCコンバータの効率が変化したら、アイドルストップ条件のコンデンサ閾値電圧 (4 V) 、コンデンサ電圧に対応した D C/D Cコンバータ出力条件は変化することは言うまでもない。

また、アイドルストップ後のモータ再始動での動作 (4 を0. 3 s e c間出力）として説明したが、モータ再始動後のトルクアシスト (1 s e c程度) を行う場合においても、コンデンサエネルギーの放出により、経時的に降下するコンデンサ電圧降下に応じて D C/D Cコンバータ出力を制御することで、同様の効果が得られる。トルクアシストとは、エンジンを用いて車両'を動作させる時に、モータも同時に動作させることである。以上のように、本実施の形態においては、バッテリ 1とコンデンサ群 2を互いに直列に接続した直列接続電源と、バッテリ 1およびコンデンサ群 2間、および、バッテリ 1と電気負荷間で、電力を移行させるための D C/D Cコンバータ 3を備え、直列接続電源のうち高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源であるコンデンサ群 2の電圧 V cを検知し、検知した電圧 V cが-所定値（第 1の閾値電圧、ここでは 4 Vとした。）より小さい場合は、 D CZD Cコンバータ 3の昇圧動作によりコンデンサ群 2の電圧を閾値電圧（第 1の閾値電圧）以上に充電するようにしたので、常時、バッテリ用電力回路が十分な電力を出力できるようになる。 . また、直列接続電源のうち高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源であるコンデンサ群 2の電圧を検知し、検知した電圧が所定値（第 1の閾値電圧）より小さい場合は、ェンジン停止動作を行わずに、エンジン 1 0の回転数をアイドル回転に維持するようにしたので、電動機 9によるェンジン始動動作不能といったことを無くすことができる。

また、直列接続電源のうち高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源であるコンデンサ群 2の電圧を検知し、検知した電圧が所定値（第 1の閾値電圧）より小さい場合は、エンジン回転を維持し、 D CZD Cコンバータ 3の昇圧動作によりコンデンサ電圧を閾値電圧（第 1の閾値電圧）以上に充電した後、エンジンを停止するようにしたことにより、連続して停止/始動動作（アイ .ドルストップ動作）を行った場合でも、始動時の電動機 9への供給電力が十分となり、電動機 9により所定のエンジン回転数まで上げることができ、始動時低回転域でのガソリン点火による有害排気物量の増加といったことが無くなる。また、電動機 9によるェンジン始動動作不能といったことが無くなる。

また、第 1のエネルギー蓄積源であるバッテリ 1の電圧と、第 2のエネルギー蓄積源であるコンデンサ群 2の電圧を検知し、低電圧側に配置されたエネルギー蓄積源であるバッテリ 1の電圧値に応じて、エンジン再始動可否の基準となるコンデンサ群 2の閾値電圧（第 1の閾値電圧）を調整し、バッテリ 1の S O Cが高い（バッテリ電圧が高い）時にはコンデンサの閾値電圧を低くし、バッテリ 1の

S O Cが低い（バッテリ電圧が低い）時にはコンデンサ群 2の閾値電圧を高くするようにしたので、アイドルストップによるエンジン再始動を確実に行う事がで 03 014664 さる。 '

また、アイドルストップ状態.（モータ停止状態）からモータによってエンジンを始動動作させる時、直列接続電源のうち、高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源であるコンデンサ群 2の電圧を検知し、検知したコンデンサ電圧によって D C ZD Cコンバータ 3の出力電力を変化させたことにより、バッテリ電力回路システム全体を最大効率で動作させることが可能となり、システム全体の発熱量を最小限にでき、特に、発熱による温度上昇によるコンデンサ群 2の寿命劣化、そして、加熱といった他の機器への影響が小さくすることができる。実施の形態 2 .

図 9は、本発明の実施の形態に係るバッテリ用電力回路の動作の流れを示す流れ図である。なお、本実施の形態に係るバッテリ用電力回路の構成は図 1と同様であるため、ここでは、図 1を参照することとして、詳細な説明は省略する。図 9に示すように、本実施の形態においては、まず、ステップ S 1 0で、ェンジン始動指令があると、ステップ S 1 1で、バッテリ 1の端子電圧 Vが第 2の閾値電圧 V _{TH 2} (例えば、 8 . 0 V ) より大きいか否かを判定し、大きかった場合には、ステップ S 1 2に進み、上述の実施の形態 1で説明した最大効率制御を行つて、ステップ S 1 5で、エンジンを始動する。このとき、最大効率制御を行いながら、所定の時間間隔でステップ S 1 1のバッテリ 1の端子電圧 Vの判定を行う。一方、ステップ S 1 1でバッテリ 1の端子電圧 Vが第 2の閾値電圧 V _{T H 2} (例えば、 8 . 0 V) 以下であると判定された場合には、ステップ S 1 3で、バッテリ電流最小制御に切り換え、ステップ S 1 4で、車両を停止しエンジンを停止する判断条件となるコンデンサ群 2の第 1の閾値電圧 V— (本実施の形態での初期値は 4 V ) を上昇させて、ステップ S 1 5で、エンジンを始動する。

なお、ここで、上述の説明においては、ステップ S 1 3とステップ S 1 4とを続けて行う例につレ、て説明したが、その場合に限らず、ステップ S 1 4の処理を行うための条件判断をステップ S 1 4の前に行うようにしてもよい。すなわち、コンデンサ閾値電圧を上昇させるための条件として、バッテリ 1の端子電圧 Vが第 3の閾値電圧（例えば、 8 . 0 V) より大きい場合に行うということを設定しておいてもよい。

なお、実施の形態 1においても述べたが、図 1には記載していないが、バッテリ 1とコンデンサ群 2には内部抵抗が存在し、バッテリ 1やコンデンサ群 2に大電流が流れると、その内部抵抗によって電圧降下または電圧上昇が発生する。バッテリ 1には車載機器等の電気負荷（図示省略、特許文献 1参照）が接続されており、バッテリ 1の端子間電圧が極端に低下すると電気負荷に悪影響を及ぼす可能性がある。一般的に使用されている 1 2 Vバッテリ（充電電圧は 14 V) に接続される電気負荷は、ノッテリ電圧が 8 V以上で動作保証をしている製品が多い。また、今後普及するとされている 36 Vバッテリ（充電電圧は 42V) を使用するシステムでは、バッテリ端子間電圧の最低電圧を 21 V〜 25 V、最高電圧を 5 1〜55 Vの範囲内に抑えるという規格が決まりつつある。このように、電気負荷がバッテリ 1に接続される場合、バッテリ 1の端子間電圧がある基準電圧値 (公称電圧値の約 3分の 2程度) 以下にならないように、バッテリ電流を制限する必要がある。

本実施の形態では、 DC/DCコンバータ 3の出力電力によってバッテリ電圧が変化するので、 DC/DCコンバータ 3の出力電力とバッテリ電圧との関係を求める。本発明によるバッテリ用電力回路の出力経路は、バッテリ 1力ら DCZ DCコンバータ 3を介して出力する経路 (以下、出力 P と称す) と、バッテリ 1からコンデンサ群 2を介して出力する経路 (以下、出力 P₂と称す）の 2経路が存在し、出力 Piと出力 P₂の合計電力 P₁ + P₂が、電力変換回路 4に入力される電力となる。電動機 9が発電し、バッテリ 1やコンデンサ群 2に充電される場合は、出力と出力 P ₂が負の値になると考えればよい。

次に、図 2の計算モデルを用いて、出力 Piと P₂と、その時のバッテリ 1の出力電圧（DCZDCコンバータの入力電圧） V_{i n}を計算する。バッテリ 1の無負荷端子間電圧を V、コンデンサ群 2の無負荷端子間電圧を AV、バッテリ 1 の内部抵抗を R、コンデンサ群 2の内部抵抗を r、バッテリ 1を流れる電流を I _B、コンデンサ群 2を流れる電流を I ₂、 DC/DCコンバータ 3への入力電流を Iい DCZDCコンバータ 3の電力変換効率を 11とすると、 Pい P₂は以下の式で表される。

P₂ = V_{i n}X I ! X 77

V_{i n}=V-RX】 _B

I _B= I i+ I ₂ 上式より、バッテリ用電力回路の出力電力が Pの時を流れる電流 I _Bは、次式で表される。 V + AV) + {(\-^R + 2r}l

2(R + r)

+ ^ + )/,} 4(R +り ^

2(R + r)

これより、バッテリ用電力回路の出力電力 Pが一定であっても、バッテリ電流は D C /D Cコンバータ 3の入力電流 I iと、コンデンサ群 2の無負荷端子間電圧 Δλ に依存する事が分かる。

—例とじて、バッテリ 1の無負荷端子間電圧 Vを 1 2 V、コンデンサ群 2の無負荷端子間電圧 AVを 6 V、バッテリ 1の内部抵抗 Rを 9. 6 πιΩ (劣化等によつて 8 πιΩから 2 0 %増加した値とした）、コンデンサ群 2の内部抵抗 rを 1 0. 7πιΩとし、バッテリ用電力回路が 4 kWを出力する時の、 D C/D Cコンパ一タ 3出力.とバッテリ端子電圧との関係を図 1 0に示す。図中には、実施の形態 1 で述べた最大効率運転ボイントと、本実施の形態で述べたバッテリ電流最小ボイントを示している。 '

図 1 0より、最大効率運転ポイントでの D C/D Cコンバータ出力は 1 5 0 0

W、バッテリ電圧は 7。 9 Vであるのに対し、バッテリ電流最小ポイントでのバッテリ電圧は 8. 3 Vとなり、バッテリ電圧が約 5 %上昇する事が分かる。このように、バッテリ電圧を検知し、バッテリ電圧が予め設定された第 2の閾値電圧

(例えば 8. 0 V) 以下になった場合には、最大効率制御からバッテリ電流最小制御に切り換える（図 9のステップ S l l , S 1 3) 事で、バッテリの出力電圧低下を抑制する事が可能となる事が分かる。また、バッテリ電流最小制御に切り替わった場合には、車両を停止しェン

1 0を停止する判断条件となるコンデンサ群 2の第 1の閾値電圧（本実施の形態での初期値は 4 V) を上昇させる（図 9のステップ S 1 4 ) 。コンデンサ群 2の第 1の閾値電圧は、検知されたバッテリ電圧に応じて再設定される。これにより、次回の車両停止時では、エンジン停止条件であるコンデンサ群 2の第 1の閾値電圧は 4 V +a (a> 0 ) となり、バッテリ 1の出力電圧低下を防止する事ができる。

このような制御を行う事で、ノッテリ 1やコンデンサ群 2の劣化等によってバッテリ 1やコンデンサ群 2の内部抵抗が上昇し、バッテリ能力やコンデンサ能力が低下した場合でも、所定電力出力時のバッテリ 1の出力電圧低下を抑制できるため、バッテリ 1に接続された他の車载機器への悪影響を及ぼすことなく、確実にエンジン 1 0の始動動作を行う事ができる。

なお、本実施の形態では、最大効率制御からバッテリ電流最小制御に切り替わるための条件（第 2の閾値電圧）と、コンデンサ閾値電圧を上昇させるための条件（第 3の閾値電圧）とを 8 . 0 Vという同じ値としているが、これに限らず、第 2の閾値電圧と第 3の閾値電圧を異なる値にしても同様の効果が得られるのは言うまでもない。

以上のように、本実施の形態においては、上述の実施の形態 1と同様に、バッテリ 1とコンデンサ群 2を互いに直列に接続した直列接続電源と、バッテリ 1およびコンデンサ群 2間、および、バッテリ 1と電気負荷間で、電力を移行させるための D C ZD Cコンバータ 3を備え、直列接続電源のうち高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源であるコンデンサ群 2の電圧 V cを検知し、検知した電圧 V cが所定値（第 1の閾値電圧、ここでは 4 Vとした。 ) より小さい場合は、 D C ZD Cコンバータ 3の昇圧動作によりコンデンサ群 2の電圧を閾値電圧（第 1の閾値電圧）以上に充電するようにしたので、常時、バッテリ用電力回路が十分な電力を出力できるようになる。

また、実施の形態 1と同様に、直列接続電源のうち高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源であるコンデンサ群 2の電圧を検知し、検知した電圧が所定値（第

1の閾値電圧）より小さい場合は、エンジン停止動作を行わずに、エンジン 1 0 の回転数をアイドル回転に維持するようにしたので、電動機 9によるエンジン始動動作不能といったことを無くすことができる。

また、実施の形態 1と同様に、直列接続電源のうち高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源であるコンデンサ群 2の電圧を検知し、検知した電圧が所定値（第 1の閾値電圧）より小さい場合は、エンジン回転を維持し、 D C/D Cコンパ一タ 3の昇圧動作によりコンデンサ電圧を閾値電圧（第 1の閾値電圧）以上に充電した後、エンジンを停止するようにしたことにより、連続して停止/始動動作 (アイドルストップ動作）を行った場合でも、始動時の電動機 9への供給電力が十分となり、電動機 9により所定のエンジン回転数まで上げることができ、始動時低回転域でのガソリン点火による有害排気物量の増加といったことが無くなる。また、電動機 9によるエンジン始動動作不能といったことが無くなる。

さらに、本実施の形態においては、第 1のエネルギー蓄積源であるバッテリ 1 の電圧値を検知し、エンジン 1 0の再始動時等の大電力出力時にバッテリ電圧があらかじめ設定された基準電圧値（第 2の閾値電圧）よりも低下した場合に、バッテリ電流が最小となるように D C/D Cコンバータ 3を制御するようにしたので、バッテリ 1の内部抵抗による電圧ドロップを抑制し、バッテリ 1に接続された他の車載機器への悪影響をなくす事ができる。

また、第 1のエネルギー蓄積源であるバッテリ 1の電圧値を検知し、バッテリ電圧があらかじめ設定された閾値電圧値（第 3の閾値電圧）よりも低下した場合、第 1の閾値電圧を上昇させて次回からのアイドルストップ条件に反映させるようにしたので、モータ始動時のバッテリ電圧低下を抑制する事ができ、バッテリ 1 に接続された他の車载機器への悪影響をなくす事ができる。実施の形態 3 .

図 1 1は、この発明の実施の形態 3に係るバッテリ用電力回路の構成を示す回路図である。図 1 2は、図 1 1の制御装置の詳細なブロック図である。図 1 3および図 1 4は、図 1 1における回生制御のフローチャートである。図 1 5は、図

1 1のバッテリ用電力回路の充電する様子を示す図である。

図 1 1に示すように、バッテリ用電力回路は、第 1のエネルギー蓄積源として 4 のバッテリ 1と、そのバッテリ 1と直列に接続し、許容入力電流がバッテリ 1の許容入力電流より大きな第 2のエネルギー蓄積源としてのコンデンサ 2と、バッテリ 1とコンデンサ 2との間に挿入した DC/DCコンバータ 3と、バッテリ 1 とコンデンサ 2の直列体の両端に接続された電力変換回路 4と、 D C/D Cコンバータ 3と電力変換回路 4とを制御する制御装置 5とを有している。

バッテリ 1は、定格電圧 1 2V、等価直列抵抗 8 mQの鉛酸蓄電池である。バッテリ 1は、許容入力電力 PBMAX (W) の特性を有している。バッテリ 1を大電力で急速充電を行うとバッテリが劣化してしまうため、バッテリ 1にはバッテリ温度および S〇C (S t a t e O f Ch a r g e) に応じた許容入力電力 P BMAXを設定している。バッテリ 1の電圧は大幅には変化しないので、許容入力電力 PB MAXの替わりに、許容入力電流 I BMAXを設定している。鉛酸蓄電池の許容入力電力 P BMAXは、重量当たり 10 OW/k g位である。コンデンサ 2は、静電容量の大きな電気二重層コンデンサまたはアルミ電解コンデンサ等である。コンデンサ 2の許容入力電力 PCMAX (W) は、鉛酸蓄電池に比べて大きく、重量当たり 100 OW/k g位である。この実施の形態 3においては、コンデンサ 2として、許容印加電圧 (VCMAX) 2. 5 Vヽ等価直列抵抗（r) 8πιΩ、静電容量（C) 100 Fの電気二重層コンデンサを 3並列 1 5直列に接続したコンデンサブロックを用いている。コンデンサ 2の許容印加電圧は、 37. 5 Vである。

DC/DCコンバータ 3は、上アームスィツチとしての上アームスィツチング素子 6 a、下アームスィッチとしての下アームスイッチング素子 6 b、チョークコイルインダクタ 7、平滑コンデンサ 8を有している。この DC/DCコンバータ 3は、双方向の昇降圧直流チョッパ回路を構成し、バッテリ 1とコンデンサ 2 との間で電力を変換する。スイッチング素子 6 a、 6 bは、 MOS FETで構成している。

この DC/DCコンバータ 3は、以下のように制御されて電力変換する。この説明では、バッテリ 1からコンデンサ 2に向けた電力変換（以下、昇圧モード D

C/DCコンバータ作動と称す。）を例に取り上げている。

上アームスィツチング素子 6 aを OF Fし、下アームスィツチング素子 6 bを ON'してバッテリ 1から電流をチョークコイルインダクタ 7に流す。次に、下ァ一ムスィツチング素子 6 bを OF Fし、同時に上アームスィツチング素子 6 aを ONして、チョークコイルインダクタ 7に流れた電流を上アームスィツチング素子 6 aを介してコンデンサ 2の端子間に印加ずる。この操作を繰り返すことにより、バッテリ 1の電力をコンデンサ 2に供給する。 DC/DCコンバータ 3の出力電流は、上アームスイッチング素子 6 aと下アームスイッチング素子 6 bの O N時間の比率を変えることにより変化できる。

コンデンサ 2からバッテリ 1に向けた電力変換 (以下、降圧モード DC/DC コンバー^作動と称す。）は上述の説明の反対の操作を行うことにより行うことができる。

スィツチング素子としての MOSFETは、そのゲート ONZOFFの信号を入力することによりスィツチングする。

電力変換回路 4は、バッテリ 1およびコンデンサ 2の直列体と電動機 9との間の電力変換を行っている。電動機 9は、エンジン 10に連結した車軸 27に接続されている。始動時にはバッテリ 1およびコンデンサ 2の電力を電力変換回路 4 によって交流に変換し、電動機 9をモータとして車軸 27を回転する。制動時には、発電機としての電動機 9から発電される交流電力を電力変換回路 4によって直流に変換し、バッテリ 1およびコンデンサ 2に充電する。この交流電力は、車軸 27の回転に対して制動力として働く。車軸 27には、車軸 27の回転を制動するブレーキ機構 26を有している。ブレーキ機構 26には、制御装置 5からの指令で車軸 27の回転を機械的に制動する図示しなレ、機械ブレーキを有している。さらに、車両のスピードを減速する制動指令を発する制動指令装置としてのブレーキペダル 28を有し、制動指令は、ブレーキ力 P Fとして制御装置に入力される。

制御装置 5は、図 1 2に示すように DC/DCコンバータ制御部 1 1を有する。

DC/DCコンバータ制御部 1 1は、入力電流算出手段 1 3、回生可能電力算出手段 14、許容入力電流算出手段 15、 DC/DCコンバータ制御手段 16、機械ブレーキ制御手段 18を有している。制御装置 5は、 CPU、 RAM、 ROM、インターフェス回路を備えたマイクロコンピュータによって構成されている。バッテリ用電力回路は、図 1 1に示すようにさらにバッテリ 1の端子電圧 VB を計測する第 1の電圧計としてのバッテリ電圧計 20、コンデンサ 2の端子電圧 VCを計測する第 2の電圧計としてのコンデンサ電圧計 21、バッテリ 1の温度 TBを計測する温度計 24、車速 S Vを計測する車速センサー 25を有している。車載機器等の電気負荷 22は、バッテリ 1に接続されている。

次に、図 1 2に示したバッテリ用電力回路の制御装置 5の構成に付いて説明する。

入力電流算出手段 1 3は、車速センサー 25からの車速 S V (km/h r ) とブレーキペダル 2 8からのブレーキ力 P F (N) とから回生エネノレギー P G (W) を算出する。回生エネルギー PGは、車速 S Vの車両を所定のブレーキ力 P Fで制動するために必要な制動エネルギーを電気量として換算した値である。さらに、バッテリ 1の端子電圧 VBとコンデンサ 2の端子電圧 VCと回生エネルギー PGとから入力電流 I (A) を求める。

一方、回生可能電力算出手段 14は、バッテリ 1の端子電圧 VB (V) からバッテリ 1の SOC (%) を算出する。バッテリ SOCは、バッテリ 1の端子電圧 VBに対応する値であり、その値はテーブルデータとして回生可能電力算出手段 14に記憶されている。

さらに、バッテリ SOCからバッテリ許容入力電力 PB MAX (W) を算出する。バッテリ温度 TBの高いとき、バッテリ許容入力電力 PBMAXは小さくなり、また、バッテリ SOCの大きいとき、バッテリ許容入力電力 PBMAXは小さくなる。

さらに、バッテリ許容入力電力 P BMAXから最大回生電力 P I NVMAX (0) (W) を算出する。

さらに、バッテリ許容入力電力 P B Ivl A Xおよび予め設定した D C / D Cコンバータ最大出力 P DMA X (W) とから DCZDCコンバータ 3を最大に動作して電力変換するときの最大回生電力 P I NVMAX (1 00) (W) を算出する。許容入力電流算出手段 1 5は、バッテリ許容入力'電力 PBMAXとバッテリ 1 の端子電圧 VBとからバッテリ 1の許容入力電流 I BMAX (A) を求める。

DC ZD Cコンバータ制御手段 16は、回生エネルギー PGが最大回生電力 P I NVMAX (0) より大きいとき、回生電力 P I NVMAX (0) 、ノくッテリ電圧 VB、コンデンサ電圧 VCおよびバッテリ最大電流 I BMAXから DCZD Cコンバータ操作量 PDを算出する。

さらに、 DCZDCコンバータ操作量 PDから昇降圧比 nを求める。この際、バッテリ 1の電流 I B *とすると、 DC/DCコンバータ 3のバッテリ 1からコンデンサ 2へ変換した電力 PD (W) は、 PD = VDX (I C— I B) である。 VD = PD/ (I C— I B) を求め、昇降圧比 n=VDZVBを求める。

さらに、昇降圧比 nになるようにスィツチング手段のオンオフの周期を求め、 D C/D Cコンバータを作動する。

このように、 DC/DCコンバータ制御手段 1 6は、この場合、バッテリ 1からコンデンサ 2に電力変換する。

DC/DCコンバータ制御手段 16は、回生エネルギー PGが最大回生電力 P I NVMAX (0) 以下のとき、回生電力 P I NVMAX (0) 、バッテリ電圧 VB、コンデンサ電圧 VCおよびバッテリ最大電流 I BMAXから DCZDCコンバータ操作量 PDを算出する。

D C/D Cコンバータ制御手段 16は、この場合、コンデンサ 2からバッテリ 1に電力変換する。

機械ブレーキ制御手段 18は、回生エネルギー PGと最大回生電力 P I NVM AX (1 00) とを比較し、回生エネルギー PGが大きいとき、回生エネルギー PGと最大回生電力 P I NVMAX (100) との差分 ΔΡΑを求め、その差分厶 P Aを機械ブレーキ操作量 MFに変換する。

さらに、この機械ブレーキ操作量 M Fに基づいて機械ブレーキを作動して車両を制動する。

次に、図 1 3および図 14を参照してバッテリ用電力回路の回生制御の手順について説明する。

ステップ（以下、 Sと略す。 ) 101で、入力電流算出手段 13は、車速センサー 25の車速 S V (km/Hr) を入手し、車速 S vがゼロかどうか判断する。車速がゼロのとき車両が停止しているので、回生制御は終了する。車速がゼロでないとき、 S 102へ進む。 S 102で、入力電流算出手段 1 3は、ブレーキペダル 28からブレーキ力 P F (N) を入手し、制動指令が発せられているかどうか判断する。ブレーキ力がゼロのとき、制動を掛けようとしていないために、回生エネルギーは発生しないので、回生制御は終了する。制動指令は発せられているときは、 S 103へ進む。

S 103で、入力電流算出手段 1 3は、車速 S Vとブレーキ力 PFとから回生エネルギー PG (W) を算出する。この回生エネルギー PG、バッテリ端子電圧 VB (V) 、コンデンサ端子電圧 VC (V) から入力電流 I (A) を求める。

S 104で、許容入力電流算出手段 1 5は、バッテリ端子電圧 VB (V) から、バッテリの SOC (%) を算出する。

S 105で、許容入力電流算出手段 1 5は、バッテリ温度 TB (°C) とノッテリの SOCとから、バッテリ許容入力電力 P BMAX (W) を算出する。バッテリ許容入力電力 P BMAXとバッテリ端子電圧 VBとから、バッテリ許容入力電流 I BMAX (A) を算出する。

S 106で、回生可能電力算出手段 14は、入力電流 I とバッテリ許容入力電流 I BMAXとを比較する。入力電流 Iが許容入力電流 I BMAXより大きいときは、 S 107へ進む。入力電流 Iが許容入力電流 I BMAX以下のときは、回生制御は終了する。

S 107で、回生可能電力算出手段 14は、バッテリ許容入力電流 I BMAX とコンデンサ端子電圧 VCとから、コンデンサ入力電力 PC ( I BMAX) を求める。バッテリ許容入力電力 PBMAXとコンデンサ入力電力 P C ( I BMA X) とから、 DC/DCコンバータを駆動しないときの最大回生電力 P I NVM AX (0) を算出する。

S 108で、回生可能電力算出手段 14は、バッテリ許容入力電力 P B M A X とあらかじめ設定した DC ,/D Cコンバータの最大駆動電力 P DMA Xとバッテリの端子電圧 VBとコンデンサの端子電圧 VCとから、補強最大回生電力 P I N VMAX (1 00) を数 1から求める。

S 109で、 DC/DCコンバータ制御手段 1 6は、回生エネルギー PGと補強最大回生電力 P I NVMAX (100) とを比較する。回生エネルギー PGが補強最大回生電力 P I NVMAX (1 00) より大きいとき、 S 1 1 0へ進む。回生エネルギー PGが補強最大回生電力 P I NVMAX (100) 以下のとき、 S 1 1 3へ進む。

S 1 10で、 DC/DCコンバータ制御手段 1 6は、補強最大回生電力 P I N VMAX (1 00) を回生操作量 P I NVと設定する。同時に、機械ブレーキ制御手段 1 8は、回生エネルギー P Gと補強最大回生電力 P I NVMAX (1 0 0) との差分 Δ PAを求める。

S 1 1 1で、機械ブレーキ制御手段 1 8は、差分 Δ ΡΑから、機械ブレーキ操作量 MFを求める。

S 1 1 2で、機械ブレーキ制御手段 1 8は、機械ブレーキ操作量 M Fに基づレ、てブレーキ機構 26を作動して、車両にブレーキ制動を加え、 S 1 14へ進む。

S 1 1 3で、 DC/DCコンバータ制御手段 1 6は、回生エネルギー PGを回生操作量 P I NVに設定し、 S 1 14に進む。

S 1 14で、 DC/DCコンバータ制御手段 1 6は、回生操作量 P I NVとバッテリ許容入力電力 I BMAXとバッテリの端子電圧 VBとコンデンサの端子電圧 VCとから数 2に基づいて DC//DCコンバータ変換電力 PDを求める。

S I 1 5で、 DC/DCコンバータ制御手段 1 6は、 DC/DCコンバータ変換電力 PDから、 DC ,,D Cコンバータ出力電圧 V OUTを求める。

S 1 1 6で、 DC/DCコンバータ制御手段 1 6は、 DC/DCコンバータ出力電圧 VOUTとコンデンサ許容印加電圧 VCMAXとを比較する。その DC/

D Cコンバータ出力電圧がコンデンサ許容印加電圧 VCMAXより低いときは S

1 1 7へ進む。また、その DC /DCコンバータ出力電圧がコンデンサ許容印加電圧 VCMAX以上のときは、 S 1 1 8へ進む。 S I 1 7で、 DCノ DCコンバータ制御手段 16は、コンバータ出力電圧 VO UTとバッテリ電圧とから昇降圧比 nを求める。

S 1 1 8で、 DC/DCコンバータ制御手段 1 6は、コンデンサ許容印加電圧 V CM A Xとバッテリ電圧 V Bとから昇降圧比 nを求める。

S 1 1 9で、 DCZDCコンバータ制御手段 1 6は、 DCZDCコンバータを駆動してバッテリからコンデンサに電力を変換して、コンデンサに充電を行う。

(この方向の D C/D Cコンバータの電力変換を昇圧モード D C/D Cコンバータ作動と称す。） S 101へ戻る。

次に、図 1 5を参照して車両に制動を掛けながら充電する様子を説明する。図 1 5に示した車両制動力は、例えば、車両がある速度からほぼ一定加速度で減速する時に発生するものである。

区間 Aでは、上述したように D C/D Cコンバータを最大出力で昇圧モード作動させることで、補強回生電力を増加させており、コンデンサの電圧上昇に応じて回生電力は増加する。この時、バッテリ用電力回路で回生しきれない分は機械ブレーキによって消費する。

区間 Bでは、補強回生電力が車両制動による回生エネルギーよりも大きくなると、機械ブレーキは動作せず、車両制動力は全て電動機の発電電力に変換され、全ての運動エネルギーを回生する事が可能となる。この時、 DC/DCコンバータは、バッテリへの充電電力が許容入力電力 PB MAXとなるように出力制御される。

区間 Cでは、 DC/DCコンバータの出力はゼロとなる。バッテリゃコンデンザへの充電電力は、バッテリとコンデンサの電圧比に応じて変化する。

このようなバッテリ用電力回路を用いた回生電力の増加について図 1 6を参照して説明する。図 1 6は、バッテリ 1の許容入力電力 P BMAXを 1 kWとした時に、コンデンサ電圧 VCとバッテリ用電力回路の最大回生電力 P I NVとの関係を示す。

例えば、 DC/DCコンバータ 3を 1 kWで動作させた場合の回生電力は、 D

C /DCコンバータ 3を動作させない時に比べ、コンデンサ電圧 VCがバッテリ電圧 VBと等しいとき 1. 5倍、コンデンサ電圧 Vcがバッテリ電圧 VBの 3倍のとき 1. Ί 5倍になる。

また、 DCZDCコンバータ 3を 2 kWで動作させた場合の回生電力は、コンデンサ電圧 VCがバッテリ電圧 VBと等しいとき 2倍、コンデンサ電圧 Vc力バッテリ電圧 VBの 3倍のとき 2. 5倍になる。

このように、 DCZDCコンバータ出力を大きくするほど、バッテリ用電力回路の回生電力は上昇する。これより、エネルギー回生時にバッテリからコンデンサに DCZDCコンバータ 3を介して電力を変換することにより、バッテリ用電力回路の回生電力は大きくなる。

図 17は、比較的短時間で大きな車両制動力が要求された時に、バッテリ用電力回路に回生する回生電力を示す。 DCZDCコンバータ 3を動作させない場合のコンデンサの充電電流は、バッテリの許容充電電流によって決まっているため、コンデンサへの充電電力を上げる事ができず、バッテリ用電力回路に回生できるエネルギー量がそれほど大きくならない。これに対して、バッテリ 1からコンデンサ 2に DCZDCコンバータ 3を介して電力を変換すると、コンデンサ 2への充電電力が増加するため、バッテリ用電力回路への回生電力を上げる事が可能となる。時間と共にコンデンサ充電電力が増加するのは、コンデンサが充電されると電圧が上昇するので、それに応じてコンデンサへの許容入力電力が増加するためである。

この発明のバッテリ用電力回路は、自動車の制動時に入力電力密度がバッテリより大きなコンデンサにバッテリから DCZDCコンバータを介して電力を変換するので、バッテリおよびコンデンサの充電電力を増加することができる。

さらに、バッテリの許容入力電力以下で充電するので、バッテリの過電力での充電を防止し、バッテリの寿命を延ばすことができる。

さらに、コンデンサの許容印加電圧以下の条件で充電するので、過電圧によるコンデンサの劣化を防止し、コンデンサの寿命を延ばすことができる。

バッテリ用電力回路は、第 1のエネルギ^ "蓄積源の許容入力電力と第 2のエネルギー蓄積源の許容入力電力とを加算した電力以下に電動機の発電電力を制御するので、車両減速時の制動エネルギーを効率よく回生し、車両の燃費を向上することができる。なお、 DC/DCコンバータ 3の構成については、図 1 1に示したものの他に、種々の方式を考えられるが、基本的にバッテリ 1とコンデンサ 2間の電力伝送を行うものであれば、どの方式でもよい。また、 DC/DCコンバータ 3のスイツチング素子は、 MOS FETを使用しているが、 I GBTまたはバイポーラトランジスタ等の半導体素子を用いるようにしても構わない。

'なお、実施の形態 3では、電気二重層コンデンサを第 2のエネルギー蓄積源として用いたが、アルミ電解コンデンサでも同様な効果が得られる。

また、第 1のエネルギー蓄積源として鉛酸蓄電池を用いたときは、第 2のエネルギー蓄積源として許容入力電力の大きなバッテリを用いても同様に回生電力を増加することができる。例えば、ニッケルカドミウムバッテリ、ニッケル水素バッテリまたはリチウムイオンバッテリを用いてもよい。実施の形態 4. '

図 18および図 1 9は、この発明の実施の形態 4に係わるバッテリ用電力回路の回生制御のフローチヤ一トである。この実施の形態 4のバッテリ用電力回路の構成は、図 1 1および図 1 2と同様である。図 18および図 1 9のフローチヤ一トは、図 1 3および図 14のフローチヤ一トに新たなステップ S 20 1〜S 20 3を追加したものであり、その他は同様である。

S 106で入力電流 Iがバッテリ許容入力電流 I BMAXより大きいとき、 S 107へ進む。一方、入力電流 Iがバッテリ許容入力電流 I BMAX以下のとき、 S 201へ進む。

S 20 1で、 D C/D Cコンバータ制御手段 16は、 S 107と同様に最大回生電力 P I NVMAX (0) を求める。

S 202で、 DC/DCコンバータ制御手段 1 6は、最大回生電力 P I NVM AX (0) と回生エネルギー P Gとの差分 Δ. P Bを求める。

S 203で、 DC/DCコンバータ制御手段 16は、差分 Δ ΡΒに基づいて、 DCZDCコンバータを駆動してコンデンサからバッテリに電力変換して、バッテリに充電する。（この方向の DCZDCコンバータの電力変換を降圧モード D C ZD Cコンバータ作動と称す。 ) 次に、図 20を参照して車両に制動を掛けながら充電する様子を説明する。図 20に示した車両制動力は、例えば、車両がある速度からほぼ一定加速度で減速する時に発生するものである。

区間 Aと Bは図 1 5と同様である。区間 Cにおいて、バッテリへの入力電流が許容入力電力 I B MAXとなるように、コンデンサからバッテリに DC/DCコンバータを降圧モード作動して電力変換する。区間 Dでは、コンデンサに蓄えられるエネルギーは増加しない。すなわち、図 1 5と比較すると、 AE_Cだけコンデンサに蓄えられるエネルギーは少ない。

この降圧モード作動により、 D C/D Cコンバータを降圧モード作動させない図 1 5と比べ、バッテリ用電力回路への回生エネルギー量は同じであるにも係わらず、コンデンサへの充電エネルギー量を低減する事が可能となる。その結果、コンデンサ容量を低減する事ができ、低コスト化が可能となる。

この発明のバッテリ用電力回路は、バッテリへの入力電力が許容入力電力以下となると、 DC/DCコンバータを介してコンデンサからバッテリへ電力を伝送するので、小さな容量のコンデンサを使用することができる。実施の形態 5.

図 21および図 22は、この発明の実施の形態 5に係わるバッテリ用電力回路の回生制御のフローチヤ一トである。この実施の形態 5のバッテリ用電力回路の構成は、図 1 1および図 1 2と同様である。図 2 1および図 22のフローチヤ一トは図 18および図 1 9のフローチャートと一部分異なっているがその他は同様である。 S 301〜S 304および S 307〜S 322は図 18および図 1 9の S 101〜S 104および S 107〜S 1 1 9、 S 201〜S 203と同様である。異なっているステップは、 S 305と S 306である。

S 305では、入力電流算出手段 1バッテリ温度 TB (°C) とバッテリの SO

Cとから、バッテリ許容入力電力 PBMAX (W) を算出する。そのバッテリ許容入力電力 P B MAXに所定値を求めるための係数 m (例えば、 mは 0. 5) を掛けて所定値としてバッテリ許容入力電力 PBM A X (m) を求める。さらに、このバッテリ許容入力電力 PBMAX (m) とバッテリ端子電圧 VBとからバッテリ許容入力電流 I BMAX (m) を求める。バッテリ許容入力電流 P BMAX (m) は、実施の形態 3のバッテリ許容入力電力 PBMAXと同様に S 30 7以降に用いられる。

また、 S 306で、入力電流 I とバッテリ許容入力電流 I BMAX (m) とを比較する。入力電流 Iが許容入力電流 I BMAX (m) より大きいときは、 S 3 07へ進む。入力電流 Iが許容入力電流 I BMAX (m) 以下のときは、 S 32 0へ進む。

このようなバッテリ用電力回路は、バッテリ許容入力電力より小さな所定値に調整されているので、入力電力に余裕がある。瞬時的な回生電力が入力されても、余裕があるので瞬時的に大きな電力が入力されての充電することができる。また、寿命の劣化の少ない電力に所定値を合わせてあるので、第 1のエネルギー蓄積、源の劣化はすくない。

なお、実施の形態 5では所定値を求めるための係数として 0. 5を設定しているが、 0. 3から 0. 8の間の値であれば同様な効果が得られる。実施の形態 6.

図 23および図 24は、この発明の実施の形態 6に係わるバッテリ用電力回路の回生制御のフローチヤ一トである。この実施の形態 6のバッテリ用電力回路の構成は、図 1 1および図 12と同様である。図 23および図 24のフローチヤ一トは、図 1 8および図 1 9のフローチャートに新たなステップを追加したものであり、その他は同様である。

図 18および図 1 9のフローチヤ一トでは、車速 S Vがゼロまたはブレーキ力 P Fがゼロのとき回生制御を終了している。一方、図 23および図 24では、 S 101で車速 SVがゼロのとき、または S 1 02でブレーキ力 PFがゼロのとき、 S 401に進む。 S 40 1で、バッテリ端子電圧 V— B (V) からバッテリの SO C (%) を求める。 S 402で、バッテリの SOCがあらかじめ設定された閾値 10 %以下かどうか判断し、 1 0 °/₀以下のとき S 403へ進む。バッテリの S〇 Cが 10%を超えているときは、回生制御を終了する。 S 403で、 DC/DC コンバータを駆動してコンデンサからバッテリに電力変換して、バッテリに充電する。（この方向に DC/DCコンバータの電力変換を降り DC/DCコンバータ作動と称す。）

このようなバッテリ用電力回路は、バッテリの SOCがあらかじめ設定された閾値、すなわち許容 SO Cの下限値付近に達した場合、コンデンサからバッテリに充電するので、バッテリの s〇cが極端に低下して過放電状態を継続することがなく、ノッテリの寿命は長くなる。

なお、実施の形態 6では S O Cを閾値 1 0。/。以下になったとき、コンデンサからバッテリに充電しているが、閾値としては 5%から 20%位を設定しても同様な効果が得られる。

' 産業上の利用可能性

以上のように、本発明にかかるバッテリ用電力回路は、内燃機関と電動機とを合わせもったハイプリッド自動車などに利用可能であり、制動エネルギーを電気ブレーキでより多く回生し、エネルギー蓄積源に蓄えられるので、燃費が向上する。

Claims

請求の範囲

1 . 第 1のエネルギー蓄積源と、

上記第 1のエネルギー蓄積源に直列に接続された第 2のエネルギー蓄積源と、上記第 1のエネルギー蓄積源と上記第 2のエネルギー蓄積源との間で電力を変換する D C //D Cコンバータと、

上記 D C ZD Cコンバータを制御する制御手段と

を備えたバッテリ用電力回路であって、

上記制御手段は、

上記直列接続電源の第 1および第 2のエネルギー蓄積源のうち、高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源の電圧を検知し、

検知した電圧が所定の第 1の閾値電圧より小さい場合は上記 D C /D Cコンバータにより、上記高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源への充電を行う

ことを特徴とするバッテリ用電力回路。

2 . 上記制御手段は、上記高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源の電圧を検知し、検知した電圧が上記第 1の閾値電圧より小さい場合は、エンジン回転を維持して、ェンジン停止動作を行わな V、ことを特徴とする請求項 1に記載のパッテリ用電力回路。

3 . 上記制御手段は、上記高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源の電圧を検知し、検知した電圧が上記第 1の閾値電圧より小さい場合は、エンジン回転を維持して、上記 D CZD Cコンバータにより上記高電圧側に配置されたエネルギー蓄積源への充電を行い、検知した電圧が上記第 1の閾値電圧よりも大きい場合は、エンジンを停止させることを特徴とする請求項 1に記載のバッテリ用電力回路。

4 . 上記制御手段は、上記第 1のエネルギー蓄積源の電圧と、上記第 2のエネルギー蓄積 ¾ ^の電圧とを検知し、それらのうち低電圧側に配置されたエネルギー蓄積源の電圧値に応じて、上記第 1の閾値電圧の値を調整することを特徴とする請求項 1ないし 3のいずれか 1項に記載のバッテリ用電力回路。

5 . 第 1のエネルギー蓄積源と、

上記第 1のエネルギー蓄積源に直列に接続された第 2のエネルギー蓄積源と、上記第 1のエネルギー蓄積源と上記第 2のエネルギー蓄積源との間で電力を変換する D CZD Cコンバータと、 '

上記 D Cノ D Cコンバータを制御する制御手段と

を備え、電力変換回路を介して電動機に接続されるバッテリ用電力回路であつて、

上記制御手段は、

停止状態の電動機を始動するときに、

検知した電圧値に応じて上記 D C/D Cコンバータの出力電力を調節することを特徴とするバッテリ用電力回路。

6 · 上記制御手段は、上記直列接続電源の第 1および第 2のエネルギー蓄積源のうち、低電圧側に配置されたエネルギー蓄積源の電圧を検知し、上記電圧値が予め設定された所定の第 2の閾値電圧以下である場合に、上記低電圧側に配置されたエネルギー蓄積源の電流が最小となるように上記 D C/D Cコンバータ出力を制御することを特徴とする請求項 5に記載のバッテリ用電力回路。

7 . 上記制御手段は、上記低電圧側に配置されたエネルギー蓄積源の電圧値を検知し、上記電圧値が所定の第 3の閾値電圧以下である場合に、上記第 1の閾値電圧の値を上昇させることを特徵とする請求項 1ないし 4のいずれか 1項に記載のバッテリ用電力回路。

8 . 第 1のエネルギー蓄積源と、上記第 1のエネルギー蓄積源に直列に接続し、上記第 1のエネルギー蓄積源より許容入力電流の大きな第 2のエネルギー蓄積源と、

車両の車軸に連結した電動機と上記直列接続された上記第 1のエネルギー蓄積源および上記第 2のエネルギー蓄積源との間で電力を変換する電力変換回路と、上記第 1のエネルギー蓄積源と上記第 2のエネルギー蓄積源との間で電力を変換する D C ZD Cコンバータと、

上記 D C /D Cコンバータを制御する制御手段と

を備えたバッテリ用電力回路であって、

上記制御手段は、

上記電動機の回生電力が上記電力変換回路から上記第 1のエネルギー蓄積源と上記第 2のエネルギー蓄積 ¾gとに充電されるとき、上記第 1のエネルギー蓄積源の入力電流が上記第 1のエネルギー蓄積源の許容入力電流以下になるように上記 D C /D Cコンバータを制御する D C /D Cコンバータ制御手段を有する

ことを特徴とするバッテリ用電力回路。

9 . 上記車両の車速を検出する車速センサーと、

上記車両に所望のブレーキ力で制動を掛ける制動指令を発生する制動指令装置と、上記第 1のエネルギー蓄積源の端子電圧を検出する第 1の電圧計と、

を有し、

上記制御手段は、

検出された上記車速と上記ブレーキ力とに基づき、上記電力回生時に上記電動機が発電する回生エネルギーを算出し、上記 D C/D Cコンバータで電力変換を行わずに上記回生エネルギーが上記第 1のエネルギー蓄積源と上記第 2のェネルギー蓄積源とに充電される入力電流を算出する入力電流算出手段と、

上記第 1のエネルギー蓄積源の端子電圧に基づいて上記第 1のエネルギー蓄積源の S O Cを求め、上記 S O Cに基づき上記第 1のエネルギー蓄積源の許容入力電流を算出する許容入力電流算出手段と

を有し、

上記電動機の回生電力が上記電力変換回路から上記第 1のエネルギー蓄積源と上記第 2のエネルギー蓄積源とに充電されるとき、上記 D C /D Cコンバータ制御手段は、上記入力電流算出手段により得られる入力電流が上記許容入力電流算出手段により得られる許容入力電流より大きい場合、上記第 1のエネルギー蓄積源から上記第 2のエネルギー蓄積源に電力を変換するように上記 D C /D Cコンバータを制御することを特徴とする請求項 8に記載のバッテリ用電力回路。

1 0 . 上記電動機の回生電力が上記電力変換回路から上記第 1のエネルギー蓄積源と上記第 2のエネルギー蓄積源とに充電されるとき、上記 D C /D Cコンバータ制御手段は、上記入力電流算出手段により得られる入力電流が上記許容入力電流算出手段により得られる許容入力電流以下の場合、上記第 2のエネルギー蓄積源から上記第 1のエネルギー蓄積源に電力を変換するように上記 D C/D Cコンバータを制御することを特徴とする請求項 9に記載のバッテリ用電力回路。

1 1 . 上記車両の車速を検出する車速センサーと、

上記車両に所望のブレーキ力で制動を掛ける制動指令を発生する制動指令装置と、上記第 iのエネルギー蓄積源の端子電圧を検出する第 1の電圧計と、

を有し、

上記制御手段は、

検出された上記車速と上記ブレーキ力とに基づき、上記電力回生時に上記電動機が発電する回生エネルギーを算出し、上記 D C /D Cコンバータで電力変換を行わずに上記回生エネルギーが上記第 1のエネルギー蓄積源と上記第 2のエネルギ一蓄積源とに充電される入力電流を算出する入力電流算出手段を有し、

上記電動機の回生電力が上記電力変換回路から上記第 1のエネルギー蓄積源と上記第 2のエネルギー蓄積源とに充電されるとき、上記 D C ./D Cコンバータ制御手段は、上記入力電流算出手段により得られる入力電流があらかじめ設定した所定値より大きい場合、上記第 1のエネルギー蓄積源から上記第 2のエネルギー蓄積源に電力を変換するように、上記入力電流算出手段により得られる入力電流があらかじめ設定した所定値以下の場合、上記第 2のエネルギー蓄積源から上記第 1のエネルギー蓄積源に電力を変換するように上記 D C /D Cコンバータを制御することを特徴とする請求項 8に記載のバッテリ用電力回路。

1 2 . 上記第 2のエネルギー蓄積源の端子電圧を検出する第 2の電圧計と、上記車両の車軸に連結し、上記車軸の回転を機械的に制動するブレーキ機構と、を有し、

上記制御手段は、

上記第 1のエネルギー蓄積源から上記第 2のエネルギー蓄積源に上記 D C/D Cコンバータで最大に電力変換するとき'、上記第 1のエネルギー蓄積源の端子電圧と上記第 2のエネルギー蓄積源の端子電圧に基づき、上記第 1のエネルギー蓄積源と上記第 2のエネルギー蓄積源とに回生できる回生可能電力を算出する回生可能電力算出手段と、

上記入力電流算出手段により得られる回生エネルギーが上記回生可能電力より大きいとき、上記回生エネルギーと上記回生可能電力との差分から機械プレーキ操作量を算出し、上記機械ブレーキ操作量に基づいて上記ブレーキ機構を制御する機械プレーキ制御手段と

を有することを特徴とする請求項 9ないし 1 1のいずれか 1項に記載のバッテリ用電力回路。

1 3 . 上記第 2のエネルギー蓄積源は、コンデンサからなり、

上記電動機の回生電力が上記電力変換回路から上記第 1のエネルギー蓄積源と上記コンデンサとに充電されるとき、上記 D C/D Cコンバータ制御手段は、上記コンデンサの許容印加電圧以下になるように上記 D CZD Cコンバータを制御することを特徴とする請求項 1 2に記載のバッテリ用電力回路。