JP2009124888A - 移動車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】移動車両電源装置として、回生電力を吸収する手段として、電力変換部と並列に電気二重層キャパシタを接続すると、バッテリーに比してキャパシタの抵抗が大きいことから、バッテリー電流のピーク値が大きくなりバッテリーの寿命に悪影響を与えている。
【解決手段】回生電流阻止用のダイオードと並列に充電電流調整回路を接続する。回生電力が発生した時、充電電流調整回路を介してバッテリーの充電電流による電圧上昇が、電圧上昇許容値よりも小さい値となるように充電する。充電電流調整回路としては、充電調整用の電気二重層キャパシタ、又はチョッパー回路が使用される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フォークリフトなどバッテリーを電源とする移動車両用電源装置に関するものである。

バッテリーフォークリフトなどのようなバッテリーを電源とする移動車両には鉛バッテリーなどの二次電池搭載されており、走行モータからの回生エネルギーも二次電池に蓄えるようなっている。しかし、現存するバッテリーでは回生時の急激に増大する電流での充電効率が悪く、また、電池寿命に悪影響を与えている。
このため、電池寿命を延ばす手段として特許文献１乃至３が公知となっている。
これらは、キャパシタとバッテリーとを並列に接続し、回生電力をキャパシタに充電させてバッテリー寿命を延ばすと共に、回生電力の有効量を図ったものである。

一般に、バッテリー寿命を延ばすための手法としては、図６（ａ）で示すバッテリーと電力変換部（インバータやチョッパー）の直流回路間に、回生電流阻止用のダイオートを接続し、回生エネルギーをキャパシタに蓄える手法と、（ｂ）図で示すように直流回路にチョッパーを接続し、このチョッパーによってバッテリー電流を制御してキャパシタに回生エネルギーを蓄える手法が採られている。
特開平６−２７０６９５号公報 特開２００２−３１５１０９号公報 特開平２００３−２１９５６６号公報

図６（ａ）で示すバッテリーに流れる回生電流をダイオードで阻止する手法は、移動体の力行時にダイオードを通して電流が流れるためにダイオードによる損失が発生し、また、回生から力行に変化したとき、バッテリーとキャパシタの電流分担がそれぞれの抵抗によって決まるので、キャパシタの抵抗が大きいと、バッテリー電流のピーク値が小さくならない。このバッテリー電流のピーク値は小さ方がバッテリー寿命が延びることから、バッテリー寿命を延ばすことと反することになる。
通常、電力変換部としてインバータを使用した場合、インバータの許容電圧はバッテリー電圧に対して余裕がないため、キャパシタの容量を大きくする必要がある。
蓄えるエネルギー＝０．５＊容量＊（キャパシタ最高電圧²−キャパシタ最低電圧²）
となり、電圧差が大きい方がエネルギーをより多く蓄えられる。

一方、他方のチョッパー方式の場合には、ダイオードで回生電流を阻止する手法と比較して回路構成が複雑になり、制御回路も必要となる。また、この方式はキャパシタを高い電圧で使用することで、キャパシタの容量を減らせるが、キャパシタの並列数が減ることで抵抗が大きくなり、損失が増える。

なお、特許文献１では、その図２、図３の構成を採用した場合、モータからの回生電力をキャパシタに充電する際、回生エネルギーが大きい、または回生制動が長く継続するとキャパシタ電圧の上昇が大きくなり、インバータやキャパシタの定格上限を超えてそれらが破損し、交流モータの破損にまで至る虞を有している。

特許文献２では、キャパシタとバッテリーとが並列接続されているので、基本的にはバッテリーの電圧変動が少なく、キャパシタが定格上限電圧を超えることはない。しかし、キャパシタとバッテリーが並列接続されていることから、キャパシタに蓄積される回生エネルギーの割合はキャパシタとバッテリー抵抗の逆比例となり、キャパシタの抵抗が大きい場合には蓄積エネルギーが少なくなるという問題がある。加えて、最大過電流に基づいて、配線インダクタンスを含めたキャパシタとバッテリー各々の時定数Ｔ１，Ｔ２を設定する必要がある。車載用電源では回路配置に制約があるため、使いづらいものとなっている。

特許文献３は、特許文献１と同様に、回生電力によりキャパシタを充電する際、キャパシタ電圧の上昇が大きくなり、インバータやキャパシタの定格上限を超えてそれらが破損し、交流モータの破損にまで至る虞を有している。

本発明が目的とするとこは、高価な電気二重層キャパシタの容量を減らすことのできる移動車両用電源装置を提供することにある。

本発明の請求項１は、バッテリー、ダイオードを介して接続された電力変換部と、この電力変換部により制御されるモータと、このモータが発生する回生電力を蓄積するために電力変換部と並列に接続された電気二重層キャパシタを有する移動車両において、
前記ダイオードと並列に充電電流調整回路を接続し、この充電電流調整回路により前記回生電力発生時に、充電電流による電圧上昇が、電圧上昇許容値よりも小さい値となるように充電制御することを特徴としたものである。

本発明の請求項２は、前記充電電流調整回路は、充電調整用の電気二重層キャパシタとしたことを特徴としたものである。

本発明の請求項３は、前記電力変換部と並列に接続された電気二重層キャパシタの容量をＣ_Cとし、前記充電調整用の電気二重層キャパシタの容量をＣ_Sとしたとき、次式に基づいてＣ_CとＣ_Sの比が最小となるよう電気二重層キャパシタの容量を決定したことを特徴としたものである。

Ｃ_C／Ｃ_S＝（Ｒ_B・Ｉ_RMax／（Ｖ_DMax−Ｖ_B））−１
ただし、Ｒ_Bはバッテリー抵抗、Ｉ_RMaxは回生電流最大値、Ｖ_DMaxは直流電流最大値、Ｖ_Bはバッテリー電圧
本発明の請求項４は、前記充電電流調整回路をチョッパー回路で構成したことを特徴としたものである。

本発明の請求項５は、前記チョッパー回路の制御装置は、検出された回生電流から回生判定を実行する回生判定器と、前記回生電流がリミッタ部を経て出力される充電電流指令と検出されたバッテリー充電電流との偏差を求め、前記回生判定器による回生有り時に偏差信号をＰＩ演算するＰＩコントローラと、このＰＩコントローラの出力信号に基づいて前記チョッパー回路のゲート信号を発生するゲート信号発生器を備えたことを特徴としたものである。

本発明の請求項６は、検出されたバッテリー端子電圧と設定された直流電圧最大値との偏差を求める減算部と、求められた偏差値に比例した信号と回生電流の検出値とを比較し、偏差値が回生電流以下となる信号を出力する比較選択部とを有し、この比較選択部からの出力信号を前記充電電流指令としたことを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、バッテリーの端子電圧を制限するように回生エネルギーの一部をバッテリーに蓄えるようにしたものであるから、高価な電気二重層キャパシタの容量を減らすことが可能となるものである。また、バッテリー抵抗＜電気二重層キャパシタ抵抗であることから、回生電流ハバッテリーと電気二重層キャパシタに分かれて流れるので、それぞれに発生する損失（抵抗＊電流²）が、従来のように電気二重層キャパシタのみに流れる場合と比較して減少するものである。また、バッテリーの端子電圧を制限する手段としてチョッパー回路を使用した場合には、端子電圧の上昇を抑制してバッテリー電流を大きくして直電圧の危険レベルへの上昇が抑制できる。さらに、端子電圧を制御することで、バッテリー抵抗の変化による影響を受けることなく充電電流を流すことが可能となるものである。

図１は、本発明による充電電圧調整方法による基本回路を示したものである。２はバッテリー、３は回生電流阻止用のダイオードで、このダイオード３と並列に充電電流調整回路１が接続される。４はインバータで、バッテリーを電源とする直流を交流に変換すると共に、交流モータ７からの回生電力を直流に変換して
電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）５、及び充電電流調整回路１を介してバッテリー２に充電する。６は電解コンデンサである。

バッテリー２の特性として、大電流による充電では電極でガスが発生して損失となるため、移動体を例えばフォークリフトとした場合、フォークリフトの制動停止時や、制動減速時のように大電流が流れる運動エネルギーでバッテリーを充電しようとしても殆んど充電されない。なお、制動停止時や制動減速時が大電流になると決まった訳ではないが、急制動をすればするほど回生時の大電流となり、電流の大きさは制動条件によって左右される。電気二重層キャパシタ５で回生エネルギー全てを蓄えようとすると、高価な電気二重層キャパシタ容量の大きなものが必要となる。そこで本発明は、ダイオード３と並列に充電電流調整回路１を接続し、この充電電流調整回路１を介してバッテリー端子電圧を一定値以下にして充電電流を流すことにより、殆んど損失なく充電を可能とするバッテリー特性を利用して、回生エネルギーの一部をバッテリー２に蓄えて高価な電気二重層キャパシタ５の容量を減らすものである。

ここで、バッテリー端子電圧を一定値以下にするためには、バッテリー端子電圧Ｖnが設定値Ｖ_nMax以下になるようにバッテリー充電電流Ｉ_BRが（１）式の関係を満たすように調整する。すなわち、バッテリー充電電流による電圧上昇（Ｒ_B・Ｉ_Br）が、（Ｖ_nMax−Ｖ_B）以下となるように調整する。

以下実施例に基づいて詳述する。

図２は、本発明の第１の実施例を示したものである。この実施例１は充電電流調整回路として第２の電気二重層キャパシタ８を接続したものである。ここで、第１の電気二重層キャパシタ５の容量をＣ_C、第２の電気二重層キャパシタ８の容量をＣ_S、及び回生電流の最大値をＩ_RMaxとし、バッテリー端子電圧が一定値以下になるキャパシタの関係式は（２）式となる。

（２）式におけるＣ_S／Ｃ_S＋Ｃ_Cは、回生電流Ｉ_Rのうち、電気二重層キャパシタ１０に流れる電流の比率で、電流阻止用ダイオード３が存在しているため、Ｃ_Sに流れる電流とバッテリー電流Ｉ_BRは等しい。

回生エネルギーＥ_Rの電気二重層キャパシタ５の容量Ｃ_Cに蓄える量Ｅ_RCは（３）式となる。

このときの直流電圧の最大値Ｖ_DMaxとキャパシタ容量の関係式は（４）式となる。

直流電圧の最大値Ｖ_DMaxは、インバータ４、とキャパシタにより制限される電圧である。また、バッテリー２にできるだけ多くの回生エネルギーを蓄え、且つ電気二重層キャパシタへのエネルギー蓄積量を減らすためのＣ_CとＣ_Sの比ｋを最小に設定する。

すなわち、電気二重層キャパシタ５と８の容量を決定する時、Ｃ_Cの容量を小さくし、Ｃ_Sの容量を大きくするほどバッテリーへの回生量が多くなることから、（４）式と（５）式から電気二重層キャパシタ５と８の容量を決定する。
したがって、この実施例によれば、簡単な回路構成で回生エネルギーの一部をバッテに蓄えることができ、バッテに蓄えることで電気二重層キャパシタ容量を減らすことができる。

図３は第２の実施例を示す構成図で、図2で示す第１の実施例と相違する点は、充電電流調整回路を、スイッチング素子１１、リアクトル１２、及び環流ダイオード１３からなるチョッパー回路１０にて構成され、電流センサー１４によって検出された充電電流を用いて（１）式の演算を実行してバッテリー端子電圧を制限値以下に制御する。

具体多的には、図４で示すチョッパーの制御回路によって制御される。
図４において、２０は回生判定器で、図示省略されたセンサーにより検出された回生電流Ｉ_RがＩ_R＞０のときに論理１（”１”）の回生信号を出力し、Ｉ_R≦０のときに論理０（”０”）の駆動信号を出力する。２１は第１のリミッタ部で、回生電流Ｉ_Rの検出値を入力し、その検出値が0以上からリミット値Ｉ_BRREFまでは回生電流Ｉ_Rに比例したバッテリー２への充電電流指令Ｉ’_BRを減算部２２に出力する。

減算部２２では、充電電流指令Ｉ’_BRと電流センサー１４によって検出された充電電流Ｉ_BRとの偏差を算出して第２のリミッタ部２３に出力する。リミッタ部２３は、入力された偏差信号が０以上のみ、すなわち、回生電流の発生時のみ出力し、乗算部２４において回生判定器２０の出力と乗算されてＰＩコントローラ２５に出力され、このＰＩコントローラ２５において、充電電流指令Ｉ’_BRと検出された充電電流Ｉ_BRの偏差によるＰＩ演算が実行される。演算された信号はゲート信号発生器２６に出力され、３角波発生器２７からの信号に基づいてゲート信号を生成する。生成されたゲート信号は乗算部２８に出力され、ケーと信号を「出力する」「出力しない」の処理を実行し、「出力する」時にはスイッチング素子１１に対するオン・オフ信号を出力する。

したがって、この実施例によれば、第１の実施例と同様にバッテに蓄えることで電気二重層キャパシタ容量を減らすことができると共に、予想以上の回生エネルギーが発生した場合、端子電圧の上昇を犠牲にして、バッテリー電流を大きくすることで直流電圧が危険なレベルに上昇することが防止できる。

図５はバッテリー端子電圧を制限値以下に制御するための他の実施例を示すチョッパー制御回路で、図４と同一部分、若しくは相当する部分に同一符号を付している。図５において、３０は減算部で、検出されたバッテリー２の端子電圧Ｖnと設定値Ｖ_nMaxとの偏差を算出する。この偏差値により自動電圧制御時の電流値求が決まる。偏差信号は０以上のみを通すリミッタ部３１を介してゲイン調整部３２に出力する。ゲイン調整部３２は、自動電圧制御時の電流ゲインを調整するもので、その出力は比較選択器３３に出力されて検出された回生電流Ｉ_Rと比較される。この比較選択器３３は自動電圧制御時の電流値が回生電流Ｉ_R以下となるような信号を出力するもので、その信号はリミッタ部３４に出力される。

リミッタ部３４は入力された0以上からリミット値Ｉ_BRREFまでの比較選択器３３の出力に比例した信号を発生し、充電電流指令Ｉ’_BRとして減算部２２に出力する。以下は図４と同様な動作をしてスイッチング素子１１のゲート信号を発生する。
したがって、この実施例によれば、図４の同様の効果を有すると共に、バッテリーの端子電圧を制御しているため、バッテリー抵抗Ｒ_Bの変化を受けることなく充電電流を流せる効果を有するものである。

本発明の実施形態を示す構成図。 本発明の実施例を示す構成図。 本発明の他の実施例を示す構成図 図３の実施例に適用されるチョッパー制御回路の構成図。 他のチョッパー制御回路の構成図。 従来の移動体電源装置の構成図。

符号の説明

１… 充電電流調整回路
２… バッテリー
３… ダイオード
４… 電力変換部（インバータ）
５、８… 電気二重層キャパシタ
６… 電解コンデンサ
７… モータ
１０… チョッパー回路

Claims (6)

1. バッテリー、ダイオードを介して接続された電力変換部と、この電力変換部により制御されるモータと、このモータが発生する回生電力を蓄積するために前記電力変換部と並列に接続された電気二重層キャパシタを有する移動車両において、
   前記ダイオードと並列に充電電流調整回路を接続し、この充電電流調整回路により前記回生電力発生時に、充電電流による電圧上昇が、電圧上昇許容値よりも小さい値となるように充電制御することを特徴とした移動車両電源装置。
2. 前記充電電流調整回路は、充電調整用の電気二重層キャパシタとしたことを特徴とした請求項１記載の移動車両電源装置。
3. 前記電力変換部と並列に接続された電気二重層キャパシタの容量をＣ_Cとし、前記充電調整用の電気二重層キャパシタの容量をＣ_Sとしたとき、次式に基づいてＣ_CとＣ_Sの比が最小となるよう電気二重層キャパシタの容量を決定したことを特徴とした請求項２記載の移動車両電源装置。
   Ｃ_C／Ｃ_S＝（Ｒ_B・Ｉ_RMax／（Ｖ_DMax−Ｖ_B））−１
   ただし、Ｒ_Bはバッテリー抵抗、Ｉ_RMaxは回生電流最大値、Ｖ_DMaxは直流電流最大値、Ｖ_Bはバッテリー電圧
4. 前記充電電流調整回路をチョッパー回路で構成したことを特徴とした請求項１記載の移動車両電源装置。
5. 前記チョッパー回路の制御装置は、検出された回生電流から回生判定を実行する回生判定器と、前記回生電流がリミッタ部を経て出力された充電電流指令と検出されたバッテリー充電電流との偏差を求め、前記回生判定器による回生有り時に偏差信号をＰＩ演算するＰＩコントローラと、このＰＩコントローラの出力信号に基づいて前記チョッパー回路のゲート信号を発生するゲート信号発生器を備えたことを特徴とした請求項４記載の移動車両電源装置。
6. 検出されたバッテリー端子電圧と設定された直流電圧最大値との偏差を求める減算部と、求められた偏差値に比例した信号と回生電流の検出値とを比較し、偏差値が回生電流以下となる信号を出力する比較選択部とを有し、この比較選択部からの出力信号を前記充電電流指令としたことを特徴とした請求項５記載の移動車両電源装置。

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