WO2007055266A1

WO2007055266A1 - 電源システム

Info

Publication number: WO2007055266A1
Application number: PCT/JP2006/322345
Authority: WO
Inventors: Koji Yoshida; Hiroyuki Handa; Mitsuhiro Matsuo
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2005-11-09
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2007-05-18
Also published as: JP4839783B2; US20090200991A1; JP2007135284A; US7679337B2; EP1811629A1

Abstract

　キャパシタ（１５）の両端電圧がバッテリ（１７）の両端電圧より高い時の電力変換器（１６）の出力電流の制限値を第１の電流値とし、ほぼ等しい時の制限値を第２の電流値とした時、第１の電流値を第２の電流値より小さくする。これによりキャパシタ（１５）の両端電圧とバッテリ（１７）の両端電圧がほぼ等しい時は発熱がほとんどない。出力電流の制限値を負荷（１８）が消費する最大電流とし、キャパシタ（１５）の両端電圧がバッテリ（１７）の両端電圧より高い時は、出力電流の制限値を第２の電流値より小さくすることで発熱が抑制され放熱部品を小型化でき、全体に小型の電源システムが提供できる。

Description

明細書

電源システム

技術分野

[0001] 本発明は、車両の制動時に運動エネルギーを電気エネルギーに変換、蓄積する電源システムに関する。

背景技術

[0002] 従来、車両の燃費向上等の目的で、制動時の運動エネルギー（以下、「制動エネルギ一」という。）を発電機により電気エネルギーに変換し、得られた電気エネルギーを蓄積することにより、制動エネルギーを回収、再利用する回生機能を有する電源システムが提案されて、る（特許文献 1)。

[0003] このような電源システムの一例を図 8に示す。なお、ここでは制動エネルギーを回収、再利用するための最低限の構成、動作に限ってその一例を説明する。

[0004] 車両制動により発電機 1が制動エネルギーを電気工ネルギ一に変換すると、発電機 1に接続されたコンデンサ 2が充電される。充電された電力は昇降圧回路 3を介してノッテリ 4に充電される。

[0005] なお、発電機 1の電気エネルギーをー且コンデンサ 2に蓄えてからバッテリ 4に充電しているが、これはバッテリ 4が急速充電に対応できないためである。従って、急速充放電が可能なコンデンサ 2に蓄えてから、昇降圧回路 3によりバッテリ 4の充電速度に合わせて充電する構成が必要となる。

[0006] バッテリ 4に充電された電力は負荷 5に供給、消費される。

[0007] このような構成、動作により、本来制動時に熱として捨てていた制動エネルギーを回収できるので、車両全体のエネルギー効率が高まり、燃費向上ゃ低排ガス化を実現できる。このような電源システムを搭載した車両は制動時であっても、同時に車載されている何らかの負荷 5 (例えば車両を動かすために必須のエンジン制御回路等）を使用している。

[0008] この場合、使用している負荷 5の消費電流が小さい場合は、発電機 1で発電した電力をコンデンサ 3に充電しつつ負荷 5にも供給できるが、多数の負荷 5を同時に使用している場合は、全体の消費電流が極めて大きくなる。そのため、発電機 1で発電した電力は全て直接負荷 5に供給される。

[0009] 従って、昇降圧回路 3は負荷 5が消費し得る最大の電流を流すことができるように設計されなければならない。

[0010] これにより、最大電流が流れると昇降圧回路 3に内蔵された回路部品（特に後述するスイッチング素子やインダクタンス素子）の発熱が大きくなる。よって、それを有効に放熱するための大型ヒートシンク等の放熱部品が必要になるので昇降圧回路 3が大きくなり、ひいては電源システム全体が大型化してしまう。

特許文献 1：特許第 2833087号公報

発明の開示

[0011] 本発明は、電力変換器の回路部品の発熱を抑制することで小型化が可能な回生機能を有する電源システムを提供する。

[0012] 本発明の電源システムは、直流発電機により充電されたキャパシタの両端電圧がバッテリの両端電圧より高い時の電力変の出力電流の制限値を第 1の電流値とし、キャパシタの両端電圧とバッテリの両端電圧がほぼ等しい時の出力電流の制限値を第 2の電流値とした時、第 1の電流値を第 2の電流値より小さくしたものである。

[0013] 本構成によって、キャパシタの両端電圧とバッテリの両端電圧がほぼ等しく電力変換器の効率が高い時は発熱がほとんどないので、出力電流の制限値 (第 2の電流値 )を負荷が消費する最大電流とし、キャパシタの両端電圧力 Sバッテリの両端電圧より高く電力変換器の効率が低い時は、出力電流の制限値 (第 1の電流値)を前記第 2 の電流値より小さくすることで発熱が抑制可能となる。

[0014] 本発明の電源システムによれば電力変換器の効率が低い時に出力電流の制限値を下げることで発熱が抑制されるので、ヒートシンク等の放熱部品が小型化できる。よつて、全体として小型な回生機能を有する電源システムが構成できる。

図面の簡単な説明

[0015] [図 1]図 1は本発明の実施の形態 1における電源システムのブロック回路図である。

[図 2A]図 2Aは本発明の実施の形態 1における電源システムのキャパシタ電圧 Vcによる効率、および時比率の相関図である。 [図 2B]図 2Bは本発明の実施の形態 1における電源システムのキャパシタ電圧 Vcによる電力変換器の出力電流制限値 Ilimの切替特性図、および Ilimに対応した最大損失の相関図である。

[図 3A]図 3Aは本発明の実施の形態 1における電源システムの制動時の Vcの経時特性図である。

[図 3B]図 3Bは本発明の実施の形態 1における電源システムの制動時の電流制限値 Ilimと負荷電流 Iloadの経時特性図である。

[図 4A]図 4Aは本発明の実施の形態 1における電源システムの制動時の Vcの経時特性図である。

[図 4B]図 4Bは本発明の実施の形態 1における電源システムの制動時の電流制限値 Ilimと負荷電流 Iloadの経時特性図である。

[図 5]図 5は本発明の実施の形態 2における電源システムのブロック回路図である。

[図 6A]図 6Aは本発明の実施の形態 2における電源システムの車速 Vの経時変化図である。

[図 6B]図 6Bは本発明の実施の形態 2における電源システムの負荷消費電流 Iload の経時変化図である。

[図 6C]図 6Cは本発明の実施の形態 2における電源システムの発電電流 Igの経時変化図である。

[図 6D]図 6Dは本発明の実施の形態 2における電源システムのキャパシタ電圧 Vcの経時変化図である。

[図 6E]図 6Eは本発明の実施の形態 2における電源システムのバッテリ電圧 Vbの経時変化図である。

[図 6F]図 6Fは本発明の実施の形態 2における電源システムの電流制限値 Ilimの経時変化図である。

[図 7]図 7は本発明の実施の形態 3における電源システムのブロック回路図である。

[図 8]図 8は従来の電源システムのブロック回路図である。

符号の説明

10 内燃機関 11 直流発電機

15 キャパシタ

16 電力変換器

17 バッテリ

18 負荷

26 ノッテリ残量検出器

30 温度センサ

発明を実施するための最良の形態

[0017] 以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

[0018] (実施の形態 1)

図 1は本発明の実施の形態 1における電源システムのブロック回路図である。図 2A は本発明の実施の形態 1における電源システムのキャパシタ電圧 Vcによる効率、および時比率の相関図である。図 2Bは本発明の実施の形態 1における電源システムのキャパシタ電圧 Vcによる電力変換器の出力電流制限値 Ilimの切替特性図、および I limに対応した最大損失の相関図である。図 3 Aは本発明の実施の形態 1における電源システムの制動時の Vcの経時特性図である。図 3Bは本発明の実施の形態 1における電源システムの制動時の電流制限値 Ilimと負荷電流 Iloadの経時特性図である。図 4Aは本発明の実施の形態 1における電源システムの制動時の Vcの経時特性図である。図 4Bは本発明の実施の形態 1における電源システムの制動時の電流制限値 Ilimと負荷電流 Iloadの経時特性図である。

[0019] まず、図 1を用いて本実施の形態 1の電源システムの構成を説明する。なお、本実施の形態 1では構成、動作をわ力りやすくするために、制動エネルギーを回収する部分に限って説明し、例えば回生機能のない通常の車両で使用されている発電機の制御に関する部分 (本実施の形態 1と共通の部分)の詳細等は省略する。

[0020] 内燃機関 10は化石燃料などを燃焼させることにより、機械エネルギーを発生するもので、例えばエンジンである。

[0021] 内燃機関 10には直流発電機 11が機械的に接続されている。直流発電機 11は機械エネルギーや制動エネルギーを電気工ネルギ一に変換する。直流発電機 11には車両の駆動輪 12が機械的に接続されている。従って、駆動輪 12は直流発電機 11を介して内燃機関 10と機械的に接続されることになるので、内燃機関 10の機械工ネルギ一が駆動輪 12に伝達されることにより車両を走行させて、る。

[0022] 直流発電機 11で発生した電気エネルギーは、正極端子 13と負極端子 14から出力される。正極端子 13と負極端子 14には、まずそれらに並列にキャパシタ 15が接続されている。キャパシタ 15は、例えば複数の電気二重層キャパシタのように大容量かつ急速充放電が可能なもので構成されて、る。

[0023] キャパシタ 15は直流発電機 11で発電された制動エネルギーを主に回収する役割を担う。これは、以下の理由による。

[0024] キャパシタ 15を搭載していない通常の車両の場合、内燃機関 10の機械工ネルギ一のみ力直流発電機 11で発電しているので、その電力は後述するバッテリの残量を一定の値にするように充電する条件に合わせて直流発電機 11の発電量を制御している。そのため、キャパシタ 15が介在しなくても充電が可能である力キャパシタ 1 5に比べてバッテリに充電されるまでの時間が力かる。

[0025] この通常車両で制動エネルギーを回収しょうとした場合、制動エネルギーは一般に短時間の間に大電力が発生する特徴を有するため、バッテリへの充電が追いつかず、結局制動エネルギーの大部分は熱として捨てられる。

[0026] そこで、キャパシタ 15は上述したように大容量で急速充放電が可能なため、本実施の形態 1のようにキャパシタ 15でー且制動エネルギーによる電力を蓄えるようにしている。従って、キャパシタ 15の役割は制動エネルギーによる電力の回収が主となることになる。

[0027] 直流発電機 11にはキャパシタ 15と並列に電力変の入力側が接続されている。電力変換器 16は入力電圧 (直流発電機 11やキャパシタ 15の出力）を任意の一定出力電圧または一定出力電流に制御可能であり、例えば DCDCコンバータが用いられる。これにより、電力変の出力側に接続されたバッテリ 17の充電制御を行うことが可能になる。なお、電力変翻16の詳細構成については後述する。

[0028] ノッテリ 17には電力変翻16の出力と並列に車載電装品等力もなる負荷 18が接続されている。負荷 18には車両の運転状況や負荷 18の使用状況に応じて直流発電機 11、キャパシタ 15、およびバッテリ 17から電力が供給される。

[0029] 次に、電力変換器 16の詳細構成について説明する。なお、本実施の形態 1では電力変換器 16は入力側の電圧を下げて出力する降圧型コンバータとした。

[0030] ここで、降圧型コンバータとした理由は以下の通りである。

[0031] 本実施の形態 1では、電力変換器 16の動作範囲は、その出力電圧であるバッテリ電圧 Vb以上になるため、電力変 16の入力側に接続されたキャパシタ 15の電圧 Vcはキャパシタ 15の供給可能な電力残量力^の時、 Vbとほぼ等しい値になる。

[0032] 本実施の形態 1の場合、降圧型コンバータを採用しているので、キャパシタ 15の電圧範囲は Vb以上で最大印加電圧 Vp以下でなければならない。このとき、 Vpを例えば Vbの約 2倍程度まで大きく取れば、キャパシタ 15の蓄積能力の約 75%は利用できるので、実用上極めて効率的な構成となる。もちろん、降圧型コンバータの機能を包含する昇降圧型コンバータを用いてもよいが、この場合、回路が複雑になり大型化してしまう。

[0033] 従って、上記のように降圧型コンバータを用いることで回路が簡素化され、小型化にも貢献できる。

[0034] 具体的な構成については、まず電力変翻 16の入力側には、入力電圧を測定するための入力電圧検出器 19が接続されている。これによりキャパシタ 15の両端電圧 Vcを求めている。また、入力側の正極ライン 13aには直列にスイッチング素子 20が接続されて、る。これにより出力の電圧や電流を直接制御してヽる。

[0035] スイッチング素子 20の出力と負極ライン 13bの間にはダイオード 21が接続されて!ヽる。ダイオード 21の正極ライン 13a側（力ソード側）にはインダクタンス素子 22がスイツチング素子 20と直列になるように接続されて!、る。

[0036] インダクタンス素子 22には直列に出力電流検出器 23が接続され、その他端と負極ライン 13bの間には出力電圧検出器 24が接続されている。

[0037] 出力電流検出器 23は、後述する負荷 18の電流制限値 Ilimが第 1の電流値 Imean または第 2の電流値 Imaxを超えないようにフィードバック制御するために、現在の電流値を求めている。 [0038] 出力電圧検出器 24の両端は電力変の出力となり、ここにバッテリ 17や負荷 18が接続されている。従って、出力電圧検出器 24はバッテリ 17の両端電圧 Vbを求めていることになる。

[0039] 入力電圧検出器 19、スイッチング素子 20、出力電流検出器 23、および出力電圧検出器 24は制御部 25に接続されて、る。

[0040] 制御部 25は入力電圧検出器 19、出力電流検出器 23、および出力電圧検出器 24 の出力力所定の出力電圧または出力電流になるように PWM制御によりスィッチング素子 20を制御している。

[0041] 次に、車両制動時の制動エネルギーを回収する動作について説明する。なお、説明の前提条件として、車両は既に走行している状態とする。すなわち、直流発電機 1

1からの出力はキャパシタ 15にも蓄えられている状態であり、その電圧 Vcは電力変が制御可能な入力範囲であるノッテリ電圧 Vb以上になるよう初期充電されている。

[0042] 図 2Aは電力変 16の入力電圧であるキャパシタ電圧 Vcを横軸に、電力変換器 16の効率を左縦軸に、 PWM制御されるスイッチング素子 20の時比率 (オンオフ比率)を右縦軸に示したものである。

[0043] Vcがバッテリ電圧 Vbとほぼ等しい時は、電力変 16が降圧型コンバータであるためほとんど降圧動作をする必要がないので、スイッチング素子 20が常時オン（時比率 100%)になるように制御部 25で制御される。その結果、最大の発熱部品であるスイッチング素子 20が常時導通した状態となるため、発熱はほとんどなく電力変 6の効率は最大となる。

[0044] Vcが Vbを超えると、スイッチング素子 20が時比率に応じてオンオフ動作し始めるので、それによる発熱が増え効率が低下していく。この際の Vcに対する出力電流制限値 Ilimと、 Ilimに応じた最大の出力電力によって決定される電力変 16の最大損失を示した図が図 2Bである。図 2Bにおいて、横軸は Vcを、左縦軸は Ilimを、右縦軸は最大損失をそれぞれ示す。

[0045] 上述したように、従来の昇降圧回路 3 (電力変換器 16に相当）では、出力電流制限値 Ilimは負荷 5が消費し得る最大の電流値 Imaxで設計されている。よって、図 2Bの Ilimにおける破線で示したように、 Vcがどのような値であっても Ilimは Imaxのままである。この場合、コンデンサ 2が制動エネルギーを多く蓄え Vcが大きくなるほど、図 2 Aに示すように昇降圧回路 3の時比率が下がるため、スイッチング素子 20の動作による発熱が発生し、さらに Ilimは Imaxのままであるので、図 2Bの最大損失における破線で示したように最大損失（ =発熱）が増加し続けて、た。

[0046] そこで、本実施の形態 1では図 2Bの Ilim軸における黒丸に示したように、 Vcが Vb とほぼ等しい時はほとんど発熱しないため、 Ilimを第 2の電流値 Imaxとし (従来と同じ )、 Vcが Vbを超えると Ilimを第 1の電流値 Imean (Imaxより小さい電流制限値）とした。

[0047] すなわち、 Vc >Vbの時の出力電流の制限値 Ilimを Imeanとし、 Vc^Vbの時は Ili mを Imaxとなるように、制御部 25が Ilimを切替制御する。なお、図 2Bで Vcが Vbより大きくなると、 Ilim力 maxから Imeanに瞬時に切り替わるので、 Vc^Vbの時は黒丸で示した Imaxが適用され、白丸で示した Imeanは適用されない。すなわち、図 2Bの左縦軸上にある黒丸と白丸の意味は、 Vc^Vbにおいては黒丸の点が適用され、白丸の点は適用されないものとして定義する。

[0048] 次に、こ制御部 25における切替制御内容を具体的に説明する。

[0049] まず、車両の制動中に負荷 18が消費する電流 Iloadが Imean以下であったとする。この場合は制動エネルギーによる直流発電機 11の電力をキャパシタ 15に充電するように制御し、同時に負荷 18に Iloadを供給する。

[0050] このとき、キャパシタ 15が充電されていくため Vc>Vbとなり、電力変^ ^16は降圧動作を行うとともに、 Ilim = Imeanと設定される。従って、降圧動作のために図 2Aに示すように時比率が下がりスイッチング素子 20が動作するものの、電力変換器 16に流れる最大電流力 meanと少なくなるため、図 2Bの最大損失における実線に示したように、 Vc>Vbでは最大損失が従来（同図の破線）に比べ低下する。

[0051] さらに、 Imean>Iloadであるので、電力変^ ^16に流れる電流は小さぐ降圧動作を行ってヽても発熱が抑制される。

[0052] 一方、制動中に Iloadが Imeanを超えていたとする。この場合は直流発電機 11の出力電力（制動エネルギー）をキャパシタ 15に充電させず、そのまま負荷 18に供給するようにする。その結果、 Vcは上昇せず Vc=Vbとなるので、 Ilim=Imaxとなり、スイッチング素子 20は常時オンされる。従って、図 2Aの効率のグラフに示したようにスイッチング素子 20は高効率動作になる。

[0053] よって、 Iloadが大きい場合であっても電力変換器 16が発生する損失は図 2Bに示すように小さくなるため、発熱が抑制される。

[0054] 以上のことから、 Iloadの大小によらず発熱部品（スイッチング素子 20やインダクタンス素子 22等）の発熱を抑制することができ、ヒートシンク等の放熱部品も小型化できるため、電源システムの大きさを小さくすることが可能となる。

[0055] なお、第 1の電流値 Imeanは負荷 18が消費する平均電流に設定し、第 2の電流値 Imaxは従来同様に負荷 18が消費する最大電流に設定した。 Vc>Vbの時、電流の制限値は第 1の電流値 Imeanとなるため、負荷 18が平均消費電流以下の場合は問題ない。しかし、 Vc >Vbである間に負荷 18がそれ以上の消費電流を必要とすれば、不足分をバッテリ 17から供給する力、一時的に Ilimを Imaxとするように制御している。

[0056] 上記の動作を実際に行った時の具体例について、図 3A、 B、および図 4A、 Bを用いて詳細に説明する。なお、図 3A、 Bは電流不足分をバッテリ 17から供給する場合、図 4A, Bは不足分を一時的に Ilimを Imaxとするように制御する場合を示す。

[0057] まず、図 3Aは走行中の車両の制動を 2回行った時のキャパシタ電圧 Vcの経時変化を、図 3Bは出力電流の制限値 Ilimの切替、および負荷 18の必要電流 Iloadの経時変化の一例をそれぞれ示す。

[0058] キャパシタ 15の両端電圧 Vcは、電力変換器 16が制御可能な入力範囲であるバッテリ電圧 Vb以上で Vc^Vbになるよう初期充電されているので、図 3Aの時刻 tO〜tl では Vc^Vbとなる。

[0059] この時、 Ilimは、第 2の電流値 Imaxに設定されて!、る（図 3Bの tO〜tl参照）。従つて、スイッチング素子 20は導通状態となり、オンオフを繰り返すことによる発熱は発生しない。また、この時の負荷 18が消費する電流 Iloadは、直流発電機 11から直接に、またはバッテリ 17から供給される。なお、直流発電機 11から直接負荷 18に電流が流れる場合は、電力変では発熱しないので負荷 18が必要とする最大電流 (第 2 の電流値) Imaxまで流すことができる。

[0060] 次に、時刻 tlで制動操作がなされたとする。これにより、直流発電機 11は急激に発生した制動エネルギーを電気エネルギーに変換し、キャパシタ 15に充電する。従つて、制動中（tl〜t3)は図 2Aに示すようにキャパシタ電圧 Vcは上昇し続ける。時刻 t 1以降は Vc >Vbとなるので、制御部 25は図 2Bに示すように Ilim=Imeanに切り替え、電流制限値を小さくする。時刻 tl〜t2では図 3Bに示すように負荷 18の消費電流 Iloadが Imeanよりかなり小さいため、直流発電機 11で発電された電力の大部分はキャパシタ 15に充電されるとともに、一部 (Iload相当）は電力変翻16を介して負荷 18に供給される。

[0061] その後、制動中に時刻 t2で負荷 18の消費電流が増加して Imean近くまで至ったとする。この場合、直流発電機 11で発電された電力の内、負荷 18が消費する電流は電力変^ ^16を介して供給される。し力し、まだ Imeanには至っていないので、スィツチング素子 20やインダクタンス素子 22に流れる電流がそれほど大きくない。従って、これらの発熱素子はあまり発熱しない。また、負荷 18の電流が増えたことにより、キャパシタ 15に充電される電力は少なくなる。従って、図 3Aに示したようにキャパシタ電圧 Vcの上昇傾きは tl〜t2に比べ小さくなる。

[0062] 次に、時刻 t3で制動を中止したとする。この場合、本来であれば制動中止後はキヤパシタ 15に蓄えた電力を負荷 18、およびバッテリ 17に供給するのである力ここでは時刻 t3から t4に渡って負荷 18の電流 Iloadがほぼ電力変換器 16の電流制限値 I meanであるので、キャパシタ 15の電力はほとんど負荷 18に供給される。この期間は、ノッテリ 17には一定の電圧が印加されており、一定の充電状態を維持するように充電される。この場合も電力変換器 16に流れる電流は Imeanであるので、電力変換器 16の発熱を小さく抑えられる。また、時刻 tl力 t4の間に制動エネルギーを有効に負荷 18に供給でき、内燃機関 10の動力で発熱することがないので、燃料消費が抑えられ、燃費向上ゃ低排ガス化に寄与できる。

[0063] 次に、時刻 t4以降では減速した後の車速のまま車両が走行しているとする。

[0064] このときは Vc^Vbになるので、制御部 25は Ilim=Imaxに戻す。

[0065] 時刻 t4力 t5の間は Iloadが t4以前と同じであるカ図 3B参照）キャパシタ 15からの電力供給は得られないので、直流発電機 11から直接に、またはノッテリ 17から供給される。この際、直流発電機 11から供給する場合は電力変換器 16を介すること〖こなるが、 Ilim=Imaxとしているので、時比率が 100%、すなわちスイッチング素子 20 が導通となり、発熱部品からの発熱がほとんどない状態で供給することができる。

[0066] 次に、時刻 t5になると、負荷 18の必要電流がほぼ Imaxになったとする。しかし、図 3Aより車両制動は行っていないので、 Imaxに相当する電流は t4〜t5と同様に直流発電機 11から直接に、またはバッテリ 17から供給される。この際も Iloadが Imaxを超えることはなぐまた、スイッチング素子 20は導通となり電力変が高効率となるため、 Iloadが大きくても発熱部品からの発熱がほとんどない状態で直流発電機 11から電力を供給することができる。

[0067] 次に、時刻 t6になると負荷 18の消費電流 Iloadが初期（tO〜tl)のレベルに下がつたとする。この場合も流れる電流量が減少するだけで、 t5〜t6と同様に直流発電機 1 1から直接に、またはノッテリ 17から負荷 18に電力が供給される。もちろん、流れる電流が下がるので、電力変換器 16の発熱はほとんどない。

[0068] 次に、時刻 t7で再度車両制動をかけたとする。この場合、直流発電機 11の制動ェネルギ一は負荷 18への電力供給とキャパシタ 15の充電に充てられる。この際、負荷 18への電力供給は電力変翻 16を介することになるが、図 3Bより制動期間中（t7 〜t8)の負荷 18の Iloadは小さいままであるので、時刻 t7において Vc>Vbより Ilim 力 maxから Imeanに絞られるものの、電力変^ ^16はほとんど発熱することなく電力が負荷 18に供給される。一方、 Iloadで消費される電流以外はキャパシタ 15に蓄えられるので、 Vcは図 3Aに示すように t7から t8に渡って上昇し続ける。

[0069] 次に、時刻 t8で制動を中止したとする。これにより、キャパシタ 15が蓄えた電力は電力変 16を介してバッテリ 17、または負荷 18に供給される。この際、時刻 t8から t9では負荷 18の Iloadが小さいままなので、キャパシタ 15は Iloadを負荷 18に供給しつつ、ノッテリ 17の残量値を一定にするように充電する。しかし、時刻 t9で急に負荷 18の消費電流力 max近くまで上昇したとする。この場合は図 3Bより明らかなように、キャパシタ 15から得られる電流の制限値 Ilimを Imeanとしているので、電力変換器 16で Imeanまでキャパシタ 15から供給することはできても、それ以上の電流は供給できない。

[0070] そこで、ここではキャパシタ 15からの電流を Imeanまでとして負荷 18に供給するに留め、電力変換器 16の発熱を抑える。すると、 t8から t9でのキャパシタ 15からの電流値と t9から tlO (Vc^Vb)でのキャパシタ 15からの電流値はいずれも Imeanと一定であり供給先が異なるだけなので、図 3Aに示すように Vcの t8から tlOの傾きは変わらない。よって、 t9から tlOでも電力変^ ^16の発熱を抑えられる。

[0071] また、問題となる負荷 18への電力供給不足に対しては、不足分（図 3Bに両矢印で示した）をバッテリ 17から供給するようにして、る。キャパシタ 15の電力があるうち（t 1 0まで）は、キャパシタ 15とバッテリ 17から負荷 18に電力を供給している。

[0072] 最後に、 tlOで Vc^Vbとなれば、キャパシタ 15からの電力供給を停止するとともに、電力変換器 16の Ilimを Imeanから Imaxに増やす。これにより、キャパシタ 15の代わりに直流発電機力もの電力をバッテリ 17の電力とともに、ある、は、ずれかから負荷 18に供給するようにしている。この場合、 Ilimは Imaxであるので、スイッチング素子 20は導通となり、直流発電機 11からの電流による発熱はほとんど発生しない。

[0073] 以上の具体的動作から、本実施の形態 1の制御により、負荷 18がどのような消費電流を必要としても電力変の発熱部品をほとんど発熱させることなく電流供給することができるので、放熱部品の小型化が可能となり、電源システム全体としても小型化が図れる。

[0074] なお、図 3A、 Bでは時刻 t9における負荷 18の消費電流不足分をバッテリ 17から供給する構成について説明した。

[0075] 次に図 4A、 Bを用いて、一時的に Ilimを変更することにより負荷 18の消費電流不足分の供給を行う例を説明する。

[0076] 図 4A、 Bにおいて、グラフの縦軸、横軸の意味は図 3と同じである。また、時刻 tOから t9までの動作は図 3と全く同じであるので説明を省略する。

[0077] 図 4Bでは、キャパシタ 15から負荷 18に電力を供給する際に、時刻 t9で負荷 18の消費電流 Iloadが第 1電流値 Imeanを上回った場合、 Imeanまでは電流を供給できる力それ以上は流さないように制御部 25が制限していたため、負荷 18を駆動できない。そこで、 Vc >Vbではあるものの一時的に電力変換器 16は出力電流の制限値 Ilimを Imean以下から Imax以下に制限するよう切り替える（Ilim=Imax)。これにより、電力変換器 16は大電流を流せるようになるので、不足分を補える電流をキャパシタ 15から負荷 18に供給できる。但し、従来例と同じく効率の悪いところで電流を供給するので、発熱部品の発熱は避けられない。

[0078] ところ力図 4Aに示すように、 Iload=Imaxに切り替えると、大電流が流れることにより、 Vcが極めて高速に低減していく（t9から tlOの傾きが大きくなる）。本実施の形態 1では、切り替えて短時間内に Vcが Vbに至る。

[0079] 従って、キャパシタ 15から負荷 18に大電流を流している時間は非常に短ぐ発熱もごく僅かである。そのため、従来のように大きな放熱部品を特に設けなくても問題なく、図 3A、 Bの場合と同様に小型化が達成できる。なお、 Vc^Vbになった後は、図 3 A、 Bの tlO以降と同様の動作とすればよい。

[0080] 以上の構成、動作により、どのような負荷消費電流にも対応でき、かつ、特に大きな放熱部品を用いることがないため小型化が可能な回生機能を有する電源システムを実現できる。

[0081] (実施の形態 2)

図 5は本発明の実施の形態 2における電源システムのブロック回路図である。図 6A は本発明の実施の形態 2における電源システムの車速 Vの経時変化図である。図 6B は本発明の実施の形態 2における電源システムの負荷消費電流 Iloadの経時変化図である。図 6Cは本発明の実施の形態 2における電源システムの発電電流 Igの経時変化図である。図 6Dは本発明の実施の形態 2における電源システムのキャパシタ電圧 Vcの経時変化図である。図 6Eは本発明の実施の形態 2における電源システムのノッテリ電圧 Vbの経時変化図である。図 6Fは本発明の実施の形態 2における電源システムの電流制限値 Ilimの経時変化図である。なお、図 5において、図 1と同一の構成には同一の番号を付し、詳細な説明は省略する。

[0082] 実施の形態 1では、車両の制動時に発生する制動エネルギーを回収する部分に重点をおいて説明した。本実施の形態 2では、実施の形態 1における構成、動作に加え、キャパシタ 15ゃバッテリ 17の残量を検出することにより、ノッテリ 17の充電制御や直流発電機 11の発電制御等の電源システム全体としての制御を盛り込んだ構成、動作について詳細を説明する。

[0083] 本実施の形態 2において、実施の形態 1から追加した構成は以下の通りである。

[0084] まず、ノッテリ 17に直列にバッテリ残量検出器 26が接続されている。ノッテリ残量検出器 26はバッテリ 17の電圧や流れる電流、その積算時間等から残量に変換するもので、前記測定パラメータを測定するための検出器群、および演算部をバッテリ残量検出器 26内部に内蔵している。

[0085] 同様に、キャパシタ 15にも直列にキャパシタ残量検出器 27が接続されている。なお、キャパシタ残量検出器 27の構成もノッテリ残量検出器 26と同様である。バッテリ残量検出器 26の残量出力は、充電制御回路 28を介して電力変翻16内の制御部 25に接続されている。そして、ノッテリ残量に応じて充電制御回路 28が電力変 16をフィードバック制御することにより、ノッテリ 17への充電を制御して!/、る。

[0086] 一方、バッテリ残量検出器 26、およびキャパシタ残量検出器 27の各残量出力は、発電制御回路 29を介して直流発電機 11に接続されている。そして、キャパシタ 15やノッテリ 17の材料に応じて、キャパシタ 15からの電力をバッテリ 17に充電したり、発電制御回路 29により直流発電機 11の出力を増力!]させてバッテリ 17を充電したりするように制御している。

[0087] 次に、本実施の形態 2における電源システムの様々な状況における動作について説明する。

[0088] 本実施の形態 2における動作の特徴となる部分は、 Vc >Vbの時、電力変換器 16 の出力電流制限値 Ilimを第 1の電流値 Imeanとし、 Vc^Vbの時、 Ilimを第 2の電流値 Imaxとするように切り替えることを基本とする力それにカ卩え、ノッテリ 17の残量が既定値以下になり、その残量が標準残量まで回復する間のみ、 Vc^Vbとなるようキャパシタ 15を放電しつつ Ilimを Imaxに切り替える点である。これにより、ノッテリ 17 の残量が少なくなると、 Ilimを増やし電力変に大電流が流せるようにすることで、発熱を抑制しつつ早急にバッテリ 17を標準残量にすることができる。

[0089] さらに、本実施の形態 2ではバッテリ 17の残量が既定値より大きい場合は、車両制動時に、負荷 18が消費する電流 Iloadが Imeanより大きくてもバッテリ 17から供給するように制御される。また、制動エネルギーを直流発電機 11により回収し、キャパシタ 15に充電を行う。

[0090] この場合、負荷 18へはバッテリ 17からと、直流発電機 11から電力変翻16を介して電流が供給される。また、直流発電機 11の出力電流から電力変換器 16への電流を差し引いた分がキャパシタ 15に充電される。従って、 Vc >Vbとなり、電力変 6の出力は Imeanに制限され、発熱はほとんど起こらない。また同時に、制動エネルギーを回収できる回数を増やすことが可能となるので、キャパシタ 15の利用率が高まり燃費向上等の改善効果も得られる。

[0091] 上記の状態を含め、具体的な動作例を図 6A〜Fを用いて経時的に説明する。

[0092] まず、時刻 tOでは走行して、な、が、内燃機関 10は駆動して、るアイドリング状態である。図 6Aの車速 Vは 0である。し力し、アイドリング中でもエンジン制御部など車載電装品は駆動しているものがあるので、図 6Bの負荷消費電流 Iloadは、少ないものの、一定値を示す。

[0093] この Iloadは図 6Cより直流発電機 11の発電電流 Igによりまかなわれている。なお、これはバッテリ 17から供給されてもょ、が、本実施の形態 2では基本的に直流発電機 11力供給する場合について、以下説明する。

[0094] Igは電力変換器 16を介して負荷 18に供給される。図 6Dより、時刻 tOでのキャパシタ電圧 Vcは Vbであるので、時比率が 100%、すなわちスイッチング素子 20が導通状態を保つ。ゆえに、電力変換器 16での損失がほとんどない状態で負荷 18に電流が供給され、この時点で電力変が発熱することはほとんどない。なお、もし車両起動時にキャパシタ電圧 Vcが Vb以下であれば、電力変換器 16の入出力を遮断し、アイドリングで発電してヽる直流発電機 11の電力によりキャパシタ 15を Vc = Vb になるまで充電する。

[0095] 図 6Dでは、例えば車両の使用中断時間が短ぐ次の起動時で既に Vc^Vbであつた場合を示している。従って、上記充電動作は省略している。ノッテリ残量 Vremはノッテリ残量検出器 26で検出される。図 6Eの場合では、時刻 tOにおいて Vremが標準残量であることを示す。電力変換器 16の電流制限値 Ilimは図 6Dより Vc^Vbであるので、図 6Fに示すように第 2の電流値 Imaxに設定される。

[0096] 次に、上記状態から車両が走行を始め、図 6Aに示すようにある一定速度に達すると、その速度を保って走行したとする（時刻 to〜ti)。この間は内燃機関 10の機械工ネルギ一が駆動輪 12に伝達されることで図 6Aのように走行する。よって、制動もなく、負荷 18の Iloadも不変であるので、直流発電機 11の Igも不変である（図 6B、 C参照 )。キャパシタ 15への制動エネルギーの回収も起こらないため、 Vc^Vbのままである (図 6D参照）。 Ilimも Imaxのままである（図 6F参照）。また、直流発電機 11の Igが負荷 18に Iloadとして供給されているので、 Vremも不変である（図 6E参照）。

[0097] 次に、時刻 tl力も t2で図 6Aに示すように車速 Vを下げる、すなわち制動をかけたとする。なお、負荷 18の Iloadは変わらなかったものとする（図 6B参照）。このとき、図 6 Cに示すように、直流発電機 11はできるだけ車両の制動エネルギーを回収するように制動エネルギーのみで最大限発電するので、発電電流 Igは増加する。

[0098] この Igの増加分（Ig— Iload)を初期値として、キャパシタ 15に制動エネルギーがー且蓄えられる。これに伴い、図 6Dに示すようにキャパシタ電圧 Vcは上昇していく。その結果、 Vc>Vbとなるので、図 6Fに示すように Ilimは第 1の電流値 Imeanに制限される。ここでは Imean>Iloadであるので、負荷 18に供給される電流は電力変^ ^1 6を介しても Imeanを超えることがない。従って、電力変 16の発熱部品はほとんど発熱することはない。なお、 Vremについては負荷 18の Iloadが Igから供給されて

V、るので、図 6Eに示すように標準残量のまま変化しな!、。

[0099] 次に、時刻 t2で制動を中止し、図 6Aに示すように車速 Vを増加 (加速)させた後、時刻 t6まで一定の速度で走行したとする。この間は制動エネルギーが発生しな、ので、以下に示すように制御される。

[0100] まず、図 6Dに示すように Vcは増加（充電)から一転して t2で減少 (放電）に切り替わる。この制動エネルギーを有効に活用するために、これまで直流発電機 11で得て

V、た負荷 18の Iloadをキャパシタ 15から得るようにし、直流発電機 11での発電を停止するように制御する。具体的にはキャパシタ残量検出器 27の出力、およびバッテリ残量検出器 26の出力を発電制御回路 29が読み込む。現在両方とも十分な残量があり発電を停止してもキャパシタ 15ゃバッテリ 17から負荷 18へ供給可能であると判断している。その結果、直流発電機 11の発電を停止している。

[0101] これにより、内燃機関 10が直流発電機 11を駆動するのに必要なエネルギーが不要となるので、燃費向上ゃ低排ガス化が可能となる。なお、 Iloadはキャパシタ 15のみから供給されるので、ノッテリ 17の電力は消費されず、図 6Eに示すように Vremは変化しない。また、この時点（t2〜t3)でも Vc>Vbなので、図 6Fに示すように Ilimは Imeanのままである。さらに Imean> Iloadであるので、電力変換器 16に流れる電流は少なく発熱もほとんど発生しな、。

[0102] 次に、時刻 t3で急に何らかの車載電装品の使用を開始し、 Iloadが Imean以上に増加したとする（図 6B参照)。このときはまだキャパシタ 15ゃバッテリ 17の残量があるため、図 6Cに示すように Igは 0で発電は停止したままである。従って、負荷 18へはキャパシタ 15から電力変換器 16の電流制限値 Imeanまで電流を流し（図 6D、 F参照）、不足分はバッテリ 17から供給される。これは実施の形態 1の図 3と同じ動作である。

[0103] これにより、ノッテリ 17の Vremは低減していく（図 6E参照）。なお、キャパシタ 15からの電流値は Imeanまでに制限しているので、電力変 6の発熱は抑制されている。

[0104] 次に、時刻 t4になるとついにキャパシタ 15の Vcが Vbとほぼ等しくなる（図 6D参照）。これにより、 Vcが Vb未満にならないようにキャパシタ 15力も負荷 18への電流供給は停止する。しかし、 Iloadは大きいままなので（図 6B参照）、キャパシタ 15から供給されなくなった電流は発電制御回路 29の指示により直流発電機 11を駆動してその発電電流 Igでまかなうように制御している。この際、図 6Dより t4で Vc^Vbとなったので、電力変換器 16の Ilimは Imaxに切り替えられる。従って、直流発電機 11の Igはスイッチング素子 20が導通状態で流れるので、発熱はほとんど起こらない。このとき Ilo adは直流発電機 11の Ig力も供給される。従って、 Vremは一定となる（図 6C、 E参照 ) oなお、この際に直流発電機 11の発電電流 Igを Iloadより大きくして、増加分をバッテリ 17に充電するよう制御してもよい。

[0105] 次に、 t5で負荷 18の Iloadが当初のように小電流に切り替わったとする（図 6B参照 ) oこのときの電源供給源は直流発電機 11かバッテリ 17である。 Iloadが小さいので、直流発電機 11から Iloadに電流供給するとともに、減ってしまったバッテリ残量 Vrem を回復するため、直流発電機 11の発電電力をバッテリ 17に充電する。この際、 Igは変わっていないので、 Iloadが減った分、多くの電流をバッテリ 17に供給でき、 Vrem は早急に回復する。具体的には、図 6Bで Iloadが下がったものの、直流発電機 11で発電する Igは図 6Cに示すように t5以前と変わっていない。なお、 Igく Imaxとしている。この余剰電力をバッテリ 17に充電することで、図 6Eに示すように Vremは標準残量に向かって回復していく。

[0106] 時刻 t4力も t6では、 Vc^Vbであり、電力変^ ^16の出力は Imax以下に制限されているので、スイッチング素子 20は導通状態となり、発熱が抑制される。なお、バッテリ 17の充電制御はバッテリ残量検出器 26から Vremを求め、その情報を充電制御回路 28に伝達することにより、充電に必要な制御情報を電力変換器 16の制御部 25 に伝達する。これを受けて制御部 25はバッテリ 17に充電できる条件を満たすようにスイッチング素子 20を制御して充電を行って、る。

[0107] 次に、時刻 t6で制動を行ったとする（図 6A参照）。この時の Iloadは少な!/、ままであるので（図 6B参照）、 Iloadへは t6以前と同様、直流発電機 11の Ig力供給され続ける。しかし、制動エネルギーが発生しているので、内燃機関 10の機械エネルギーによる発電を停止するよう発電制御回路 29が制御する。従って、必要量し力発電しない機械工ネルギ一による Igに比べ、制動エネルギー回収効率を上げるため発電量が最大限となるように制御しているので、 Igは増加する（図 6C参照)。この電力をキャパシタ 15に充電する。従って、 Vcが増加していく（図 6D参照）。これにより、 Vc>Vbとなるので、 Ilimは Imeanに下げるように切り替えられる（図 6F参照）。

[0108] ここで、 Iloadは Igから供給されて!、る。 Imean>Iloadであるので、 Ilimを Imeanに下げても電力変 16に流れる電流は小さぐ発熱もほとんどしない。また、 t6で制動エネルギーをキャパシタ 15に充電しながら負荷 18へ供給しているので、バッテリ 1 7からの供給は不要であり、その Vremは回復した標準残量を維持し続ける（図 6E参照)。

[0109] 次に、時刻 t7で制動を停止し、一定速度での走行を行ったとする（図 6A参照)。このとき、負荷 18の Iloadは小さいまま不変であったとする（図 6B参照）。この場合は充電していたキャパシタ 15の電力を放電して負荷 18に供給するため、直流発電機 11 を停止する（図 6C参照)。

[0110] キャパシタ 15の電力を負荷 18に供給すると、 Vcは減少していく（図 6D参照)。しかし、 Iloadは小さいので、キャパシタ 15からだけで供給することができ、バッテリ 17の電力を消費しない。従って、 Vremは標準残量のまま推移する（図 6E参照)。また、図 6Dより Vc>Vbなので Ilimは Imeanに切り替えた状態を維持している（図 6F参照）。 Imean>Iloadであるので、この場合も電力変^ ^16が発熱することはほとんどない

[0111] 次に、 t8で再び負荷 18の Iloadが増加したとする（図 6B参照）。この場合の動作、制御は t3と同一であるので、詳細な説明は省略する。

[0112] t9で、 Vc^Vbになるまでキャパシタ 15の電力を消費する前に、再び車両の制動を行い減速したとする（図 6A参照)。なお、 Iloadは大きいままとする（図 6B参照)。この場合、制動中は制動エネルギーにより発電が行われ Igが発生する。その結果、それまで放電していたキャパシタ 15は一転して Igにより充電され、 Vcが増加する（図 6D 参照）。ゆえに、 Vc >Vbのままであるので、 Ilimは Imeanのままである（図 6F参照）。

[0113] この制動エネルギーにより発電された電力は、直接バッテリ 17には充電できないので、全てキャパシタ 15に充電される。その結果、負荷 18への Iloadはバッテリ 17から供給されることになり、 Vremは減少し続ける（図 6E参照)。本実施の形態 2ではバッテリ 17の残量が多い場合は、図 6D中に破線囲み Aで示したように、制動エネルギーのキャパシタ 15への充電を再開している。このように制御することで、制動エネルギ一の回収効率の向上が可能となる。

[0114] 次に、 tlOになると、制動され続けているにもかかわらず（図 6A参照）、 Vcが最大値 Vp (キャパシタ 15が満充電）に至ってしまったとする（図 6D参照)。この場合は、これ以上制動エネルギーを蓄えることができないので、キャパシタ残量検出器 27の出力が満充電であることを発電制御回路 29に伝達する。発電制御回路 29は制動エネルギ一による発電量を減少させ、キャパシタ 15の電圧を一定値 Vp〖こするように直流発電機 11を制御する。その結果、直流発電機 11の Igは 0となるが制動は続いている。そして、制動が終了する ti lまで直流発電機 11による減速の割合は減少し、一般のブレーキ動作による減速の割合が増加する。この時も、 Iloadは大きいままなので（図 6B参照）、引き続きバッテリ 17と直流発電機 11から電力が供給され、 Vremは減少していく（図 6E参照）。この際、 Vc >Vbであるので Ilimは Imeanと小さい方に切り替えられている（図 6F参照）。従って、電流は Imeanで制限されるので発熱はほとんど起こらない。

[0115] 次に、 ti lで制動が終了し、一定速度での走行になったとする（図 6A参照)。

[0116] なお、この時の Iloadは大きいままとする（図 6B参照）。この場合、キャパシタ残量が満充電であり、バッテリ 17の残量 Vremも下限には至っていないので（図 6D、 E参照 ) ,両者力負荷 18に電力が供給される。但し、 Vc>Vbであるので、 Ilim = Imean の制約がある（図 6F参照）。すなわち、キャパシタ 15から負荷 18に流せる電流は Im eanまでである。この制約により、電力変 16はあまり発熱することなく電流を流すことができる。電流不足分 (Iload— Imean)はバッテリ 17から供給することになるので、 Vremはさらに下がり続ける（図 6E参照）。

[0117] そして、時刻 tl2に至ってついに Vremは下限残量に達してしまう（図 6E参照）。しかし、負荷 18は大電流 Iloadを消費し続けている（図 6B参照）ので、このままでは電流供給が不足してしまう。そこで、 Vremが下限残量に達したという情報は、バッテリ残量検出器 26を介して発電制御回路 29に伝達される。発電制御回路 29はバッテリ 17から供給できなくなった電流分を発電するように直流発電機 11を制御する。その結果、図 6Cに示すように tl2から Igを発生させる。この発電電力は、ノッテリ 17の劣化を防ぐためこれ以上 Vremが減らないように（図 6E参照）、キャパシタ 15の放電電力と合わせて負荷 18に供給される。これによりバッテリ 17からの放電は停止する。この時、 Iloadは大きいままなので、直流発電機 11の電力とキャパシタ 15の電力を合わせて負荷 18に供給するには電力変に大電流を流さなければならない。しかし、 tl 2では Vc >Vbであるので Ilimは Imeanとなっている。このため、 Imean以上の電流を負荷 18に供給することができず、直流発電機 11を駆動してもノッテリ 17の代わりに電流を供給することができな、。

[0118] そこで、図 6Fに破線囲み Bで示したように、 Vc>Vbであるにもかかわらず電力変翻 16の Ilimを Imaxとする。これは実施の形態 1の図 4と同じ動作である。これにより一時的（tl2〜tl3)ではある力キャパシタ 15の電流力 ¾naxまで流れ、負荷 18に供給される。この場合、図 2Bの太い破線に示したように最大損失が大きくなるので、発熱が増える。一方、図 6Dに示すように tl2から tl3ではキャパシタ 15から流れる電流が増えるので、 Vcの減少速度 (傾き）は大きくなる。よって、仮に tl2〜tl3で発熱したとしても、発熱量は僅かである。なぜならば、図 2Bの最大損失を示す太い破線に示したように、 Vcが Vbに近づくにつれて最大損失は小さくなり、発熱も減っていくからである。

[0119] このようにして負荷 18に対し Iloadを直流発電機 11とキャパシタ 15力供給することで、負荷 18を止めることがなくなり、また、バッテリ 17の下限残量をこれ以上下げることちなくなる。

[0120] 次に、 tl3で Vc^Vbになると（図 6D参照）、本来 Ilimを Imaxに切り替える力ここでは tl2ですでに切り替えているので、そのままの状態を維持する（図 6F参照）。 tl3 ではキャパシタ 15の供給可能な電力を使い切っているので、図 6Bに示すように負荷 18の Iloadが大きいままであれば、直流発電機 11の Igのみで供給することになる（図 6C参照）。この際、 Vc^Vbであるので、電力変換器 16の損失は最も少なぐ Iload に相当する電流を流しても発熱はほとんどしない。なお、 tl 2で下限残量に達したバッテリ 17には充電をしなければならないが、負荷 18が大電流を消費しているため、負荷 18への電流供給が優先され、 Vremは下限残量のままである（図 6E参照)。

[0121] 次に、 tl4でさらに制動がかかり、 Vが低下したとする（図 6A参照）。これにより、本来なら制動エネルギーを直流発電機 11で発電し、キャパシタ 15で回収するよう制御される。しかし、負荷 18が大電流を消費しているのに対し、（図 6B参照）、キャパシタ 15は負荷 18への供給可能な電力が残っていない（図 6D参照)。また、 Vremが下限残量であるのでバッテリ 17からも供給できない（図 6E参照)。結局、直流発電機 11の Igからし力負荷 18に Iloadを供給できない状態である（図 6C参照)。

[0122] この場合、必ず電力変換器 16を介して負荷 18に電流が供給されるので、電力変換器 16の損失はできるだけ少なくする必要がある。そのためには、 Vc^Vbでなければならない。もし tl4で発生する制動エネルギーをキャパシタ 15に充電すると Vc >V bとなり、 Ilim=Imeanに切り替わるため、流せる電流が減少し負荷 18が停止してしまう。また、本実施の形態 2の特徴であるバッテリ 17が下限残量以下であれば Vc>V bでも Ilim=Imaxにするよう制御したとすると、制動を開始して力キャパシタ 15の電圧 Vcが Vbにほぼ等しくなるまでの時間は電力変換器 16の損失が大きい状態で大電流が流れる。本実施の形態 2における大型ヒートシンクなどの放熱対策を十分行つていない電力変が異常発熱を起こし、故障する可能性が考えられる。

[0123] そこで、この問題を避けるために、本実施の形態 2の電源システムでは、 tl4で制動が行われていても、バッテリ 17の残量が下限以下である時には制動エネルギーをキャパシタ 15に回収する動作を行わな、ように制御して、る。具体的にはバッテリ残量検出器 26の出力を発電制御回路 29が読み込み、 Vremが下限以下であれば制動エネルギー分を発電しないように直流発電機 11を制御する。その結果、図 6Dに示すように tl4で制動が力かっているにもかかわらずキャパシタ 15への充電は行われず、 Vc=Vbのままである。よって、 Ilim=Imaxのままである（図 6F参照）。また、直流発電機 11の Igも tl4で制動をかけても変化せず、それまでの発電量を維持して!/ヽる（図 6C参照)。但し、この時の発電は制動中であるので、内燃機関 10の機械エネルギ一ではなぐ制動エネルギーによって行われている。従って、 Igはスイッチング素子 20が導通状態 (最も損失の少な!/、状態)で負荷 18に供給されるため、電力変翻 16の発熱はほとんど発生しない。なお、この時点（tl4〜tl5)でも負荷 18は大電流を消費し続けているので、ノッテリ 17への充電は行われず、下限残量を維持したままである（図 6E参照)。

[0124] 次に、 tl5で負荷 18の Iloadが起動時 (tO)と同様に少なくなつたとする（図 6B参照 ) oこの場合は、発電している Igの内、 Iloadに必要な分以外はバッテリ 17の充電に充てられる。これにより Vremは増加していく（図 6E参照)。従って、電力変換器 16に流れる電流は tl5以前と同様の値である（図 6C参照)。

[0125] これだけの大電流を流す必要があるため、電力変の損失を抑え、発熱させないようにする必要がある。そこで、 tl5の時点でも制動中にもかかわらずキャパシタ 15への電力回収は行わない。よって Vc=Vbのままである（図 6D参照）。また、これにより Ilim=Imaxを維持する（図 6F参照）。

[0126] 次に、 tl6で制動が終わり、一定速度で走行したとする（図 6A参照)。なお、この場合の Iloadは小さいまま維持しているとする（図 6B参照）。この時点（tl6)では、まだ Vremが標準残量まで回復していないので、直流発電機 11で発電した電力の内、負荷 18で使用する分を差し引、た残りを引き続きバッテリ 17に充電する。これ〖こより Vr emは増加し続ける（図 6E参照）。なお、 tl6では制動されていないので、キャパシタ 15に充電する電力がない。よって、 Vc^Vbのままであり、 Ilim=Imaxを維持する（図 6D、 F参照)。その結果、電力変翻 16にバッテリ 17を充電するための大電流 Ig が流れても、ほとんど発熱することはない。

[0127] 次に、時刻 tl7でバッテリ 17の充電が完了し、 Vremが標準残量に至ったとする（図 6E参照)。この情報はバッテリ残量検出器 26から充電制御回路 28に伝達される。その結果、電力変翻 16は負荷 18への電流 Iloadのみを供給すればよいことになり、そのように制御するよう制御部 25に指令を送る。また、同時にバッテリ残量検出器 26 力も発電制御回路 29にも Vremが標準残量に至った情報が伝達される。これを受け、発電制御回路 29は負荷 18が消費する電流のみ発電するように直流発電機 11に指令を送る。その結果、 Igは負荷 18の少ない消費電流 Iloadに合わせて低減される（図 6B、 C参照）。なお、 tl7から tl8の間は制動が力かっていないので、（図 6A参照）、キャパシタ 15への充電は行われない。すなわち、 Vc^Vbを維持し、その結果、 Hi m=Imaxを維持する（図 6D、 F参照）。

[0128] 次に、 tl8で制動がかかり、車速 Vが減少したとする（図 6A参照）。この時点ではバッテリ 17への充電が完了している（図 6E参照）。また、 Vc=Vbであることから、キャパシタ 15への蓄電も行われていない（図 6D参照）。よって、制動エネルギーを回収するために直流発電機 11の Igは増加する（図 6C参照)。このとき、負荷 18は少ない Ilo adを維持しているとすると（図 6B参照）、 Igの内、 Iload分は負荷 18に供給され、残りの電流はキャパシタ 15の充電に充てられる。これにより、 Vcは増加し、 Vc>Vbとなるとともに、 Ilim=Imeanに切り替えられる（図 6D、 F参照）。電力変翻 16で流せる電流 Ilimは Imeanに減少するが、 Imean> Iloadであるので、スイッチング素子 20等がほとんど発熱することなく電流を負荷 18に供給することができる。

[0129] 次に、 tl9で車両が停止し、制動が終了したとする（図 6A参照）。この時の負荷 18 の消費電流 Iloadは小さいままであったとする（図 6B参照）。この時点で、制動エネルギーを効率よく利用するために tl8から tl9で蓄えたキャパシタ 15の電力を優先的に負荷 18に対して供給する。キャパシタ残量検出器 27よりキャパシタ 15に電力が蓄えられている情報が発電制御回路 29に伝達されるので、発電制御回路 29は直流発電機 11に対し発電を停止するよう指令を送る。その結果、 Igは 0になる（図 6C参照)。一方、キャパシタ 15は負荷 18に対して Iloadを供給しているので、徐々に Vcが減少していく。

[0130] なお、電力変^ ^16の Ilimは Imeanで、小さいままである（図 6F参照）力 Imean

>Iloadであるので、キャパシタ 15から Iloadを流してもスイッチング素子 20等の発熱はほとんど発生しない。また、負荷 18への電流供給源はキャパシタ 15だけなので、バッテリ 17の Vremは減少せず、標準残量を維持する（図 6E参照)。

[0131] 最後に、 t20になると、キャパシタ 15は Vc ^Vbに至り、供給可能な電力をほぼ使い切った状態となる（図 6D参照）。これに応じて Ilim=Imaxに切り替わる（図 6F参照 ) oこの時点でキャパシタ 15からの電流供給は終了する。キャパシタ 15の残量がなくなったことをキャパシタ残量検出器 27が検出し、発電制御回路 29に伝達する。負荷 18は Iloadを消費し続けているため（図 6B参照）、発電制御回路 29は負荷 18に Iloa dを供給し続けるために直流発電機 11を駆動するよう指令する。これにより、キャパシタ 15に代わって直流発電機 11から負荷 18に Iloadが供給される（図 6C参照)。なお、負荷 18への電源供給源は直流発電機 11になったので、ノッテリ 17からは供給されず、 Vremは標準残量を維持する（図 6E参照)。

[0132] 具体的には以上説明したような制御に基づいて本実施の形態 2の電源システムが動作している。

[0133] もしキャパシタ 15の残量があり、負荷 18の Iloadが小さぐかつバッテリ 17が標準残量でなければ、電力変換器 16が出力電流の制限値 Ilimを第 2の電流値 Imax以下に制限し、充電制御回路 28により電力変翻16の制御部 25を介してキャパシタ 15 の電力をバッテリ 17に充電してもよい。この場合、もし充電が完了する前にキャパシタ 15の電圧が低下してバッテリ 17の電圧とほぼ等しくなれば、発電制御回路 29により直流発電機 11の出力を増加することにより、バッテリ 17を標準残量まで充電するように制御すればよい。

[0134] ここで、上記動作説明の中で本実施の形態 2における特徴的な部分についてまとめると、次のようになる。

[0135] ノッテリ 17の残量 Vremが既定値（下限残量)を超える場合、負荷電流 Iloadが Ime anより大きくなつてもバッテリ 17から負荷 18へ電流を供給できるので、制動時のキヤパシタ 15への充電を行うことができる（図 6Dの破線囲み A部分)。これにより Ilimが I meanのままなので発熱を抑制できる上、制動エネルギー回収の回数が増加し、燃費向上等の効果が得られる。

[0136] また、ノッテリ 17の残量 Vremが既定値（下限残量)以下になり、 Vremが標準残量まで回復する間のみ、電力変換器 16は出力電流の制限値 Ilimを第 2の電流値 Imax 以下に制限する（図 6の点線囲み B部分)。これにより、速やかにキャパシタ 15の電力が放電されるので、電力変の損失が最低となる Vc^Vbの条件となり大電流が流せる。その結果、バッテリ 17充電時の大電流供給や負荷 18への大電流供給を行っても発熱を抑制できる。

[0137] さらに、ノッテリ 17の残量 Vremが既定値（下限残量)以下になり、 Vremが標準残量まで回復する間のみ、車両制動時に直流発電機 11によるキャパシタ 15への充電を行わない（図 6Dの tl4から tl6)。これにより、キャパシタ 15に充電した際の Vcの上昇を避け、前記 Vc^Vbの条件を維持し続けられる。よって、バッテリ 17充電時の大電流供給や負荷 18への大電流供給を行っても発熱を抑制できる。

[0138] 以上の構成、動作により、キャパシタゃバッテリへの効率的な充放電が制御できる。

また、負荷消費電流の変動に対応でき、かつ、キャパシタ、ノッテリや負荷がどのような状態にあってもほとんど電力変^^が発熱しないように制御される。従って、特に大きな放熱部品を用いることなく小型化が可能な回生機能を有する電源システムを実現できる。

[0139] (実施の形態 3)

図 7は本発明の実施の形態 3における電源システムのブロック回路図である。本実施の形態 3は実施の形態 2とほぼ同等の構成であるので、同一の構成部分には同一の番号を付し、詳細な説明は省略する。

[0140] 本実施の形態 3の特徴となる部分は、図 7に示すように電力変の近傍に温度センサ 30を設け、その出力を制御部 25に接続した点である。このように構成することによって、温度センサ 30の出力により次のように制御が変わる動作とした。

[0141] まず、温度センサ 30の出力が例えば 100°C等の既定の温度以下であれば、電力変翻 16の Ilimを Imaxに制限するとともに、負荷電流 Iloadが大きくても制動時にはキャパシタ 15へ充電し、制動エネルギーの回収を行う。これにより、温度が低い間は燃費向上等の効果が効率よく得られる。但し、このとき電力変は大電流が流れるので、損失が大きくなり温度は次第に上昇する。そこで、既定の温度より高くなれば、実施の形態 1や 2で説明した電源システムと同様の動作を行うよう制御することで発熱を抑制している。

[0142] 以上の構成、動作により、直接温度をモニターし電力変換器の動作を制御することで、特に低温時のキャパシタへの制動エネルギー回収を最大限に行うことができる上、高温時の電力変^^の発熱も抑制できる。従って、大きな放熱部品を用いることなく小型化が可能な回生機能を有する電源システムを実現できる。

産業上の利用可能性

[0143] 本発明の電源システムは、電力変換器の発熱を抑制することにより放熱部品の小型化が実現でき、回生機能を有する電源システム全体の小型化が可能となるので、車両の電源システム等として有用である。

Claims

請求の範囲

[1] 内燃機関を有する車両において、

前記内燃機関から発生する動力または前記車両の制動により得られる動力により発電を行う直流発電機と、

前記直流発電機の出力に接続したキャパシタと、

前記キャパシタを入力側に接続した、出力電圧または出力電流を制御可能な電力変翻と、

前記電力変翻の出力側に接続したバッテリと、

前記バッテリに並列に接続した負荷と、を備え、

前記直流発電機により充電された前記キャパシタの両端電圧が前記バッテリの両端電圧より高い時の前記出力電流の制限値を第 1の電流値とし、

前記キャパシタの両端電圧と前記バッテリの両端電圧が実質的に等しい時の前記出力電流の制限値を第 2の電流値とした場合、

前記第 1の電流値を前記第 2の電流値より小さくしたことを特徴とする

電源システム。

[2] 前記第 1の電流値は前記負荷が消費する平均電流であり、前記第 2の電流値は前記負荷が消費する最大電流であることを特徴とする

請求項 1に記載の電源システム。

[3] 前記電力変換器は、前記キャパシタの電圧が前記バッテリの電圧以上となるように制御する降圧型コンバータであることを特徴とする

請求項 1に記載の電源システム。

[4] 前記直流発電機または前記キャパシタから前記負荷に電力を供給する際に、前記負荷の消費電流が前記第 1の電流値を上回ると、前記電力変換器は出力電流の制限値を前記第 2の電流値以下に制限することを特徴とする

請求項 1に記載の電源システム。

[5] 前記バッテリに接続されたバッテリ残量検出器をさらに備え、

前記バッテリ残量検出器が前記バッテリの残量が既定値以下であることを検出し、前記残量が標準残量まで回復する間のみ、前記電力変が出力電流の制限値を前記第 2の電流値以下に制限するとともに、車両制動時に前記直流発電機による前記キャパシタへの充電を行わないことを特徴とする

請求項 1に記載の電源システム。

[6] 前記バッテリに接続されたバッテリ残量検出器をさらに備え、

前記バッテリ残量検出器が前記バッテリの残量が既定値より大きいと検出する場合は、前記負荷が消費する電流にかかわらず車両制動時に前記直流発電機による前記キャパシタへの充電を行うことを特徴とする

請求項 1に記載の電源システム。

[7] 前記電力変の近傍に温度センサをさらに備え、

前記温度センサの温度出力が既定値より低い場合は、

前記電力変換器が出力電流の制限値を前記第 2の電流値以下に制限することを特徴とする

請求項 1に記載の電源システム。