JP2001136607A - 車両用電源装置 - Google Patents
車両用電源装置Info
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Abstract
電源装置の提供。 【解決手段】 バッテリ4とPC5との電気的な接続状
態を、PC5の充電量に応じて、切り替えユニット1の
スイッチング素子Q1乃至Q4の動作状態をECU10
によって制御することにより、直列接続または並列接続
に切り替えると共に、並列接続に切り替えたときには、
PC5の端子電圧の降下に応じてスイッチング素子Qs
1及びQs2のスイッチング周波数を制御することによ
り、切り替えユニット1の端子T3における昇圧動作も
実行する。
Description
車等の駆動モジュールに適用して好適な車両用電源装置
に関する。
ジュールには、三相交流モータを駆動するインバータに
電力を供給する電源装置として、バッテリと、そのバッ
テリの電力を補うパワー供給用キャパシタ(以下、P
C)とが搭載されており、これにより、電気自動車の加
速性能を改善する技術が採用されている。
テリとパワー供給用キャパシタの一般的な出力特性を示
す図であり、充電状態(SOC:State of Charge)が
定格の100%程度に十分蓄電されている状態において
は、PCの端子電圧の方がバッテリの端子電圧より高い
ため、放電開始初期においてはバッテリの電力を補い加
速性能を改善することができる。
の充電容量と比較して小さな容量であるため、放電(モ
ータの駆動)を続けるとほどなくPCの端子電圧は急速
に低下し、バッテリの端子電圧より低くなってしまうた
め、PC内のエネルギを効率良く使い切ることができな
い。
9−322314号には、図8に示すように、バッテリ
104とPC105とをモータ103の制御用インバー
タ102に並列に接続すると共に、コンバータ(昇圧回
路)101によってPC電圧がバッテリ電圧より小さく
なることを防止する技術が提案されている。この昇圧技
術は、サイリスタ等のスイッチング素子QSによってP
C105の通電を断続させ、これによりコイル(DC
L)に生じる過渡電流を利用して、コンバータ101の
出力端子電圧を昇圧する技術であり、放電の継続によっ
てPCの端子電圧が低下するのに応じてスイッチング素
子QSをスイッチングさせれば、PC105に充電され
ているエネルギを効率良く使い切ることができる。しか
しながら、コンバータ101によって当該機能を実現す
るためにはDCLの容量をかなり大きくする必要があ
り、重量増加の一因となることから、移動体である電気
自動車に採用するのは現実的でない。
ス201に設けたスイッチング素子QA,QBを適宜オ
ン・オフさせるにより、力行時には、バッテリ204と
PC205とを直列接続で放電させると共に、PC20
5の出力電圧が0Vに近づいたらバッテリ204だけを
選択し、電力回生時には、PC205だけをインバータ
202に接続すると共に、PC205の出力電圧が所定
の上限値に近づいたらバッテリ204だけを選択する技
術が提案されており、この技術によれば、重量増加の要
因となるDCLを搭載することなく、PC205のエネ
ルギを使い切ることができるが、PC205には常時電
流が流れるため、転極や過電流を防止するためのバイパ
ス回路が別途必要であり、充電時の制約も多い。
良く使用する車両用電源装置の提供を目的とする。
め、本発明に係る車両用電源装置は、以下の構成を特徴
とする。
充放電可能なバッテリと、該バッテリと比較して小電力
を短時間で充放電可能なキャパシタとを備える車両用電
源装置であって、前記キャパシタの使用状態を検出する
検出手段と、前記検出手段により検出された使用状態に
応じて、前記バッテリと前記キャパシタとの電気的な接
続状態を、直列接続または並列接続に切り替える切り替
え制御手段とを備えることを特徴とする。
シタの使用状態として該キャパシタの端子電圧を検出し
ている場合において、前記切り替え制御手段は、前記バ
ッテリと前記キャパシタとの電気的な接続状態を、前記
キャパシタの放電時の端子電圧が所定値より大きいとき
には並列接続に切り替えると共に、該所定値より小さい
ときには直列接続に切り替えると良い。
パシタの端子電圧を、前記並列接続状態において前記バ
ッテリの端子電圧より大きな電圧に昇圧する昇圧手段を
含むと良い。
シタの使用状態として回生電力の供給が前記該キャパシ
タに対して行われているか否かを検出している場合にお
いて、前記切り替え制御手段は、回生電力の供給が行わ
れていることが前記検出手段によって検出されたとき
に、前記バッテリと前記キャパシタとの電気的な接続状
態を並列接続に切り替えると良い。
れた車両が登坂走行を行っているか否かを検出する登坂
走行検出手段(例えばナビゲーションユニット等)を更
に備える場合において、前記切り替え制御手段は、前記
登坂走行検出手段によって登坂走行中であることが検出
されたときに前記バッテリと前記キャパシタとの電気的
な接続状態を直列接続に切り替えると良い。
力を効率良く使用する車両用電源装置の提供が実現す
る。
テリと前記キャパシタとの電気的な接続状態が、例えば
前記キャパシタの放電時の端子電圧に応じて並列接続ま
たは直列接続に切り替えられるため(請求項2)、その
キャパシタの電力を効率良く使用することができる。
状態において前記キャパシタの端子電圧が前記バッテリ
の端子電圧より大きい状態に維持されるため、前記キャ
パシタ内の電気エネルギを効率良く放電させることがで
きる。
入力された回生電力を、前記バッテリと比較して短時間
で充放電可能な前記キャパシタに効率良く充電すること
ができる。
の効率を向上しつつ、動力性能に優れた登坂走行を行う
ことができる。
置を、電気自動車の駆動モジュールに適用した実施形態
として、図面を参照して詳細に説明する。
置のシステム構成を示す図である。
モータ3の回転を制御する。バッテリ4は、高電力を化
学反応を利用して充放電可能な主電源であり、インバー
タ2の入力端子に接続されると共に、切り替えユニット
1の端子T3及びT4にも接続されいる。PC5は、バ
ッテリ4と比較して小電力を短時間で充放電可能な電気
2重層コンデンサ等を利用した補助電源であり、切り替
えユニット1の端子T1及びT2に接続されいる。切り
替えユニット1は、電子制御ユニット(ECU)10の
制御に従って、バッテリ4とPC5との電気的な接続状
態を、直列接続または並列接続に切り替えることができ
る。
通電を断続させるサイリスタ等のスイッチング素子Qs
1及びQs2、その断続する電流によって過渡電流を発
生させるコイル(DCL)、そして、バッテリ4とPC
5とを直列接続または並列接続に切り替えるスイッチン
グ素子Q1乃至Q4が設けられている。これらのスイッ
チング素子は、ECU1に備えられたマイクロコンピュ
ータ(不図示)により、後述する如く適宜オン・オフが
制御され、これにより、PC5の端子電圧の昇圧動作、
並びにバッテリ4及びPC5の接続切り替え動作が実現
する。
タイミングについて説明する。
置の回路切り替え動作とPCの端子電圧との関係を説明
する図であり、同図に示す負の傾きの直線は、放電を継
続するのに応じて端子電圧が低下する一般的なパワー供
給用キャパシタの出力特性を示す。
C5の端子電圧が、所定の上限値にある充電状態(即
ち、SOCが定格の100%程度に十分蓄電されている
状態)から放電(モータ3の駆動)が継続されることに
より、PC5の端子電圧が所定のしきい値V1に低下す
るまではバッテリ4とPC5とを並列に接続しておき、
当該しきい値V1より小さくなったときには、バッテリ
4とPC5とを直列接続に切り替えて使用する。この場
合、当該しきい値V1は、バッテリ4の端子電圧より大
きく設定しておけば、並列接続時にはバッテリ4の端子
電圧よりPC5の端子電圧が高く、直列接続時にはバッ
テリ4の端子電圧とPC5の端子電圧とが加算された状
態となるため、何れの接続状態においてもPC5内に充
電されているエネルギを効率良く放電させることができ
る。
る程、DCLの容量及び物理的な大きさを小さくするこ
とができるため、軽量化を求められる移動体の電源装置
としては望ましい。しかしながら、並列接続から直列接
続に切り替えた際には、インバータ2に印加される入力
電圧が、並列状態における合成電圧から、バッテリ4の
端子電圧とPC5の端子電圧(=しきい値V1)との加
算電圧に急変することになるため、当該しきい値V1を
大きな値に設定する程、インバータ2には大きな電位差
が印加されてしまうため、インバータ2に悪影響を与え
ると共に、車両の乗り心地に影響を与えるモータ3のト
ルク変動の要因ともなる。従って、しきい値V1の設定
については、インバータ2の定格(性能)により許容さ
れる範囲であって、且つ体感的に許容されるトルク変動
の範囲内で、できるだけ大きな電圧値とすると良い。
態について説明する。
置の並列接続時の電流の流れを説明する図であり、この
ときの放電電流の流れを、図2に矢印で示す。
フ状態、スイッチング素子Q2は導通状態、スイッチン
グ素子Q3はオフ状態、そして、スイッチング素子Q4
は導通状態に設定されることにより、バッテリ4とPC
5とは、電気的に並列接続の状態にある。
ッチング素子Qs1及びQs2は、PC5の端子電圧が
低下するのに応じてスイッチングを繰り返す。これによ
り、そのスイッチング動作に応じてPC5の通電がDC
Lにおいて断続される状態となり、DCLには過渡電流
が生じるため、PC5の端子電圧は昇圧された状態とな
り、且つ上記のようにスイッチング素子Q2は導通状態
に設定されているため、切り替えユニット1の端子T3
における端子電圧は、常にバッテリ4の端子電圧より高
い状態に維持される。
置の直列接続時の電流の流れを説明する図であり、この
ときの放電電流の流れを、図3に矢印で示す。
フ状態、スイッチング素子Q2はオフ状態、スイッチン
グ素子Q3は導通状態、そして、スイッチング素子Q4
はオフ状態に設定されると共に、スイッチング素子Qs
1及びQs2は、何れもオフ状態に設定されることによ
り、バッテリ4とPC5とは、電気的に直列接続の状態
にある。
的な接続状態を、PC5の充電量に応じて、切り替えユ
ニット1によって直列接続、または並列接続に切り替え
れば、PC5の電気エネルギを効率良く使用する(使い
切る)ことができる。
電源切り替え制御を、電気自動車の登坂走行時に適用し
た場合について説明する。
置を搭載した電気自動車の登坂走行時の電源切り替え制
御を説明する図である。
常走行時においては、並列接続を選択すると共に、登坂
走行を開始した初期の段階においては、一般に、同図に
示すように乗員によるアクセル開度αの変化量が大きく
なるため、要求される走行出力(登坂能力)を実現すべ
く、並列接続から直列接続に切り替える。
おいては、乗員はアクセル開度αを、登坂走行を開始す
る以前の定常走行時のアクセル開度、或いはその開度よ
り小さなアクセル開度にまで抑制するのが一般的である
ため、このタイミングで直列接続から並列接続に切り替
える。
置を搭載した電気自動車の電源切り替え処理を示すフロ
ーチャートであり、ECU10の不図示のCPUが実行
する制御手順を示す。
3:不図示のナビゲーションユニットからナビゲーショ
ン情報(或いは道路側のインフラから道路に関する情報
を入手しても良い)を入手し(ステップS1)、その入
手した情報に基づいて、自車両が登坂走行を行っている
か否かを判断し(ステップS2)、この判断でNOのと
き(登坂走行は行っていないとき)にはステップS10
に進み、YES(登坂走行中)のときには、当該入手情
報に基づいて現在走行中の登坂の長さを判定する(ステ
ップS3)。
は、現在までの所定期間におけるアクセル開度αの移動
平均値を制御周期毎に算出すると共に、ある程度の長さ
を越える登り坂を走行するときにはアクセルを大きく踏
み込むというドライバの一般的な運転特性を利用して、
その算出した移動平均値が所定値を越えた場合には長い
登坂であると判断しても良い。
3にて判定した登坂の長さが所定距離より長いか否かを
判断し(ステップS4)、この判断でNOのとき(登坂
が所定距離より短いとき)にはステップS10に進み、
YESのとき(登坂が所定距離より長いとき)には、所
定期間におけるアクセル開度αの変化量が所定値Δαよ
り大きいか否かを判断する(ステップS5)。
開度αの変化量が所定値Δαより小さいと判断されたの
で、本ステップでは、内部フラグFLが1であるかを判
断し、この判断でNO(FL=0)のときにはステップ
S10に進み、YES(FL=1)のときにはステップ
S7に進む。この内部フラグFLは、前回の制御周期に
おけるステップS5の判断でアクセル開度αの変化量が
所定値Δαを越えていたことを記憶するための処理フラ
グであり、図5に期間Pで示すように、登坂走行の初期
においてはアクセルが大きく踏み込まれ、その後アクセ
ルの踏み込みを少々戻すというドライバの一般的な運転
特性があるため、登坂走行を開始したので直列接続にし
て間もないのに、アクセルが戻されたタイミングで再び
並列接続に切り替えられることを防止するために利用さ
れる。
5にてアクセル開度αの変化量が所定値Δαより大きい
と判断された、或いはステップS5にてFL=1と判断
されたので、本ステップでは、バッテリ4とPC5とを
直列接続する(或いは直列接続を維持する)ことを決定
し(ステップS7)、内部フラグFLを1に設定する
(ステップS8)。
現時点における充電量(蓄電量)が所定値PCoより少
ないか否かを判断し(ステップS9)、この判断でYE
S(充電量<PCo)のときには、現時点で既に直列接
続の場合にはこれ以上直列接続を維持しているとPC5
の転充電のおそれがあるため並列接続設定を行うべくス
テップS10に進み、NO(充電量≧PCo)のときに
は、アクセル開度αが所謂略全閉(踏み込み量が略ゼ
ロ)の状態かを判断すべく、アクセル開度αが所定値α
1より小さいかを判断する(ステップS12)。
(α<α1)のときにはステップS10に進み、NO
(α≧α1)のときには、自車両の登坂走行が継続され
ていると判断されるためステップS13に進む。
αが所定値α1より小さいと判断したときに並列接続設
定を行うべくステップS10に進む理由について説明す
れば、アクセル開度αが略全閉状態であるという状況
は、自車両の登坂走行が略終了に近づき、ドライバがア
クセルの踏み込みを緩めて平地走行のための速度調整を
開始したことによって減速等が起こり、インバータ2及
びモータ3による電力回生動作が開始される可能性が有
ると判断することができ、インバータ2から出力される
回生電力をバッテリ4と比較して短時間で充電可能なP
C5に高効率で充電するためには、直列接続の状態より
並列接続が望ましいからである。
リ4とPC5とを並列接続する(或いは並列接続を維持
する)ことを決定し(ステップS10)、内部フラグF
Lを0に設定し(ステップS11)、ステップS15に
進む。尚、ステップS10では、バッテリ4によるPC
5の充電を開始すると良い。
充電量が所定値PCoより大きく、且つ所定値PC1よ
り少ないか否かを判断し、この判断でYES(PCo<
充電量<PC1)のときにはステップS14に進み、N
O(充電量>PC1)のときには、PC5の現時点にお
ける充電量が十分であると判断できるためステップS7
にて決定した直列接続を実行(または維持)すべくステ
ップS15に進む。ここで、所定値PC1は、PC5の
定格のフル充電量の25%程度の値に設定すれば良い。
V1より大きいか否かを判断し、この判断でYES(V
>V1)のときには、直列接続の状態から並列接続に切
り替えても発生するトルクショックは小さく、乗員は違
和感を感じないと判断できるため、並列接続設定を行う
べくステップS10に進み、NO(V≦V1)のときに
は、ステップS7にて決定した直列接続を実行(または
維持)すべくステップS15に進む。
ップS11にて設定された内部フラグFLの状態に応じ
て、切り替えユニット1のスイッチング素子Q1乃至Q
4の動作状態を、図2及び図3を参照して上述した如
く、直列接続または並列接続に制御し、リターンする。
また、本ステップにおいて並列接続に切り替えた場合に
は、PC5の端子電圧の降下に応じてスイッチング素子
Qs1及びQs2のスイッチング周波数を制御すること
により、切り替えユニット1の端子T3における昇圧動
作も実行する。
列接続から直列接続に切り替えるタイミングを、ナビ情
報等により予め検出可能な上り坂の開始位置、或いはそ
の手前近傍の位置に設定せず、アクセルが大きく踏み込
まれて高加速(高出力)を開始してからに設定している
のは、一般的な乗員の特性として、定常走行時と比較し
て加速状態の場合のほうが乗員のトルクショックに対す
る許容範囲が大きいからである。
13の判断は、充電量にて行うのではなく、PC5の端
子電圧を、所定の電圧と比較しても良い。
れば、車両の走行状態に応じてバッテリ4とPC5との
電気的な接続が切り替えユニット1によって適宜切り替
えられるため、PC5の電気エネルギを効率良く使用す
ることができる。
構成を示す図である。
時の電流の流れを説明する図である。
時の電流の流れを説明する図である。
替え動作とPCの端子電圧との関係を説明する図であ
る。
電気自動車の登坂走行時の電源切り替え制御を説明する
図である。
電気自動車の電源切り替え処理を示すフローチャートで
ある。
供給用キャパシタの一般的な出力特性を示す図である。
を示す図である(並列接続の例)。
を示す図である(直列接続の例)。
C), 10:電子制御ユニット(ECU), 201:切り替えボックス,
Claims (5)
- 【請求項1】 高電力を充放電可能なバッテリと、該バ
ッテリと比較して小電力を短時間で充放電可能なキャパ
シタとを備える車両用電源装置であって、 前記キャパシタの使用状態を検出する検出手段と、 前記検出手段により検出された使用状態に応じて、前記
バッテリと前記キャパシタとの電気的な接続状態を、直
列接続または並列接続に切り替える切り替え制御手段
と、を備えることを特徴とする車両用電源装置。 - 【請求項2】 前記検出手段は、前記キャパシタの使用
状態として、該キャパシタの端子電圧を検出しており、 前記切り替え制御手段は、前記バッテリと前記キャパシ
タとの電気的な接続状態を、前記キャパシタの放電時の
端子電圧が所定値より大きいときには並列接続に切り替
えると共に、該所定値より小さいときには直列接続に切
り替えることを特徴とする請求項1記載の車両用電源装
置。 - 【請求項3】 前記切り替え制御手段は、前記キャパシ
タの端子電圧を、前記並列接続状態において前記バッテ
リの端子電圧より大きな電圧に昇圧する昇圧手段を含む
ことを特徴とする請求項2記載の車両用電源装置。 - 【請求項4】 前記検出手段は、前記キャパシタの使用
状態として、回生電力の供給が前記該キャパシタに対し
て行われているか否かを検出しており、前記切り替え制
御手段は、回生電力の供給が行われていることが前記検
出手段によって検出されたときに、前記バッテリと前記
キャパシタとの電気的な接続状態を並列接続に切り替え
ることを特徴とする請求項1記載の車両用電源装置。 - 【請求項5】 更に、前記車両用電源装置が搭載された
車両が登坂走行を行っているか否かを検出する登坂走行
検出手段を備え、 前記切り替え制御手段は、前記登坂走行検出手段によっ
て登坂走行中であることが検出されたときに、前記バッ
テリと前記キャパシタとの電気的な接続状態を直列接続
に切り替えることを特徴とする請求項1記載の車両用電
源装置。
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