JP5012555B2

JP5012555B2 - 移動車用電源装置

Info

Publication number: JP5012555B2
Application number: JP2008038306A
Authority: JP
Inventors: 恭昌宮本; 昌克野村
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2008-02-20
Filing date: 2008-02-20
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2028-02-20
Also published as: WO2009104577A1; JP2009201208A

Description

本発明は移動車用電源装置に係り、特にフォークリフトなどバッテリーを電源とする移動車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が搭載されており、走行モータからの回生エネルギーを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、回生電力の有効利用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、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、図４で示すように直流回路にチョッパーＣｈ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電気二重層キャパシタＣ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

前者の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い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、後者の図４で示すチョッパー方式の場合、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し、小型化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、バッテリーに接続され回生動作可能なインバータと、このインバータを介して接続されたモータと、バッテリーの直流回路に接続されて、リアクトルとスイッチング素子を有するチョッパーと、このチョッパーに接続された電気二重層キャパシタを備えた移動車両電源装置において、
前記バッテリー電圧を検出し、検出電圧を微分する微分手段と、この微分手段による微分信号と前記電気二重層キャパシタに対する所望キャパシタ電流実現のための係数との乗算を実行する電流成分演算部と、この電流成分演算部が出力する電流指令と前記チョッパーを流れる検出電流との差信号を求め、この差信号に応じたゲート信号を生成してチョッパーを制御するよう構成したことを特徴としたものである。

本発明の請求項２は、前記チョッパーのスイッチング素子を充放電用の複数とし、前記電流成分演算部が出力する電流指令Ｉ_L ^*の正負を判断し、Ｉ_L ^*≧０時には前記電気二重層キャパシタへの充電用スイッチング素子のみをスイッチング制御し、Ｉ_L ^*＜０時には電気二重層キャパシタの放電用スイッチング素子のみをスイッチング制御するよう構成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、小容量の電気二重層キャパシタＣで、等価的に大容量のキャパシタを接続したことになるため、高価な電気二重層キャパシタの小型化が可能となり、コスト的にも有利なものとなる。また、電流と電圧の関係を理想的なキャパシタとして設定ができるため、等価的にキャパシタの内部抵抗を０とすることが可能となり、従来のように、電気二重層キャパシタへ電流が流れ難くなることもなくなる。また、演算されたチョッパーの電流指令値の正負により、２つのスイッチング素子のうち、一方側のみのスイッチング制御を行うようことにより、さらにスイッチング損失の抑制が可能となるものである。

本発明では、バッテリー電圧Ｖ_Bの微分値に容量Ｃｓを乗算した値を演算設定Ｉ_L ^*とする。これによってチョッパー電流Ｉ_Lを、容量Ｃｓ、内部抵抗０の電気二重層キャパシタをバッテリーに直接並列接続したときのキャパシタ電流と等価な動作を実行させるようにしたものである。以下、実施例に基づいて詳述する。

図１は、本発明の第１の実施例を示すチョッパー制御回路のブロック図である。電源装置の主回路は、図４と同様バッテリーＢに回生動作可能なインバータＩＮＶを接続し、このインバータを介してモータＭが制御される。Ｃｈはチョッパーで、リアクトルＬとスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を有し、このチョッパーＣｈに電気二重層キャパシタＣが接続されて回生電流蓄積部ＲＡが構成される。１はバッテリー電圧を検出する電圧検出部、２はローパスフィルタで、検出器１により検出されたバッテリー電圧Ｖ_Bは、このローパスフィルタ２でノイズの除去処理が施された後に微分手段３により微分される。４は電流指令演算部で、電気二重層キャパシタＣに対する理想的な大容量キャパシタ電流流入を実現するために、この電流指令演算部４において微分値と容量Ｃｓとの乗算を実行する。

容量Ｃｓは、電気二重層キャパシタＣが理想とする大容量キャパシタ電流の流入を実現するためのキャパシタ容量で、任意に設定される。５は減算部で、電流指令演算部４の出力と、電流検出器６により検出された回生電流蓄積部ＲＡに流入する電流との差演算を実行する。差信号は回生電流値蓄積部ＲＡへ流れ込む電流指令値として電流制御部７に入力され、電流制御部７では電流指令値に応じたＰＩ演算を実行し、ＰＷＭによるゲート信号を生成してチョッパーＣｈのオンオフ制御を行う。

本発明では、電流制御に適用する検出値として、電流検出器6により検出したチョッパー電流Ｉ_Lを用いる。ここで、電気二重層キャパシタＣは、内部抵抗が零で、且つ理想とする大容量キャパシタＣｓ値（＞Ｃ）を有するものと仮定し、この大容量キャパシタＣｓを有する電気二重層キャパシタが、直接バッテリーＢに並列接続されているとする。その時の電気二重層キャパシタへの電流Ｉ_Sを計算し、これをチョッパーＣｈの電流指令Ｉ_L ^*とすることにより、容量Ｃｓを有した電気二重層キャパシタＣとし、この容量Ｃｓを有したものがバッテリーＢに直接並列接続されたと等価な動作を実現する。

容量Ｃｓを有する理想的な電気二重層キャパシタに流れる電流Ｉ_Sは、（１）式のように、バッテリー電圧Ｖ_Bの微分成分に容量Ｃｓを乗算すればよく、電流指令演算部４はその演算を実行する。

Ｉ_L ^*＝Ｉ_S＝Ｃｓ・ｄ／ｄｔ（Ｖ_B）…… （１）
図２は力行と回生を交互に実施したときのシミュレーション結果を示したもので、力行時のバッテリー電流のピーク値が効果的に抑えられ、フラットな電流となっていることが分かる。

この実施例によれば、電気二重層キャパシタＣの容量を小さなキャパシタ容量で、等価的に大容量のキャパシタを接続したことになるため、高価な電気二重層キャパシタの小型化が可能となり、コスト的にも有利なものとなる。また、（１）式のように電流と電圧の関係を理想的なキャパシタとして設定できるため、等価的にキャパシタの内部抵抗を０とすることが可能となり、従来のように、電気二重層キャパシタに電流が流れ難くなることもない。

図３は第２の実施例を示したもので、図１で示す第１の実施例との相違点は、電流制御部７の出力側にゲート信号作成部８を設けたことで、他は同様である。
ゲート信号作成部８は、判定部８１と第１のゲート回路８２、及び第２のゲート回路８３を備えている。この実施例は、チョッパーＣｈのスイッチング損失の低減を図るために、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を交互にスイッチングさせるものではなく、電気二重層キャパシタＣの充放電の状況に応じて片側のスイッチング素子のみをオンオフ制御するものである。そのために、電流指令演算部４で演算されたチョッパーに対する算出電流指令Ｉ_L ^*を判定部８１に入力し、０より大きいか否かを判定する。その結果、電流指令Ｉ_L ^*≧０のときには第１のゲート回路８２に信号を出力し、スイッチング素子Ｓ２のみをオン制御とし、素子Ｓ１はオフ状態を維持する。また、判定部８１で、電流指令Ｉ_L ^*≦０のときには第２のゲート回路８３に信号を出力し、スイッチング素子Ｓ１のみをオン制御とし、素子Ｓ２はオフ状態を維持する。

チョッバーＣｈは、電気二重層キャパシタＣの充電時には昇圧チョッパーとして動作し、放電時には電位差（＝Ｖ_EDLC−Ｖ_B）を利用した放電となるため、この制御の動作条件は、（バッテリー電圧Ｖ_B）＜（電気二重層キャパシタ電圧Ｖ_EDLC）となる。

この実施例によれば、チョッパー制御回路において、２つのスイッチング素子によるスイッチング損失の低減を図るために、演算された電流指令値の正負により、２つのスイッチング素子のうち、一方側のみのスイッチング制御を行うようにしたものであるから、第１の実施例と比較してさらにスイッチング損失の抑制が可能となるものである。

本発明の実施例を示す構成図。シミュレーション結果図。本発明の他の実施例を示す構成図。移動車両用電源装置の主回路構成図。

符号の説明

１… 電圧検出器
２… ローパスフィルタ
３… 微分手段
４… 電流指令演算部
５… 減算部
６… 電流検出部
７… 電流制御部
８… ゲート信号作成部
８１… 判定部

Claims

バッテリーに接続され回生動作可能なインバータと、このインバータを介して接続されたモータと、バッテリーと並列に接続され、リアクトルとスイッチング素子を有するチョッパーと、このチョッパーに接続された電気二重層キャパシタを備えた移動車両電源装置において、
前記バッテリー電圧を検出し、検出電圧を微分する微分手段と、この微分手段による微分信号と前記電気二重層キャパシタに対する所望キャパシタ電流実現のための係数との乗算を実行する電流指令演算部と、この電流指令演算部が出力する電流指令と前記チョッパーを流れる検出電流との差信号を求め、この差信号に応じたゲート信号を生成してチョッパーを制御するよう構成したことを特徴とした移動車両用電源装置。
前記チョッパーのスイッチング素子を充放電用の複数とし、前記電流指令演算部が出力する電流指令Ｉ_L ^*の正負を判断し、Ｉ_L ^*≧０時には前記電気二重層キャパシタへの充電用スイッチング素子のみをスイッチング制御し、Ｉ_L ^*＜０時には電気二重層キャパシタの放電用スイッチング素子のみをスイッチング制御するよう構成したことを特徴とした請求項１記載の移動車両用電源装置。