JP6072319B1 - エネルギー回生システム - Google Patents
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Abstract
Description
前記電池と前記キャパシタは直列接続され、
前記複数のキャパシタは並列に接続され、
前記制御部は、並列に接続されている前記複数のキャパシタの接続を切り替えて前記動力源によって発生する回生エネルギーの充放電を交互に繰り返すように制御し、前記回生エネルギーが発生している期間と前記動力源が停止している期間に、複数の前記キャパシタに蓄電された電力を前記電池へ蓄積させるように制御し、複数の前記キャパシタの総容量は、前記回生エネルギーが発生している期間における想定される前記動力源の最大の減速度によって得られる前記回生エネルギーを全て蓄積可能な容量であり、複数の前記キャパシタは、リチウムイオンキャパシタである。
これにより、エネルギー回生システムは、従来技術と比較して効率的に回生エネルギーを回収できる。また、エネルギー回生システムは、電池と1つのキャパシタとを直列に接続した場合と比較して、さらに小さいキャパシタを用いることができるので、エネルギー回生システムをさらに小型化することができる。なお、動力源とは、エンジン、モータ、およびジェネレータのうち少なくとも1つである。
これにより、エネルギー回生システムは、一方のキャパシタに充電しながら、他方のキャパシタから電池に充電するので、従来技術と比較して効率的にエネルギーを回収できる。
これにより、エネルギー回生システムは、キャパシタに蓄電後、キャパシタが蓄電した電力を電池へ蓄電することで、従来技術と比較して効率的にエネルギーを回収できる。
これにより、エネルギー回生システムは、電池とキャパシタに同時に充電できるため、従来技術と比較して効率的にエネルギーを回収できる。
図1は、本実施形態に係るハイブリッド車両1の構成を概念的に示す図である。図1に示すように、ハイブリッド車両1は、エンジン10(動力源)、歯車11、車輪12、モータ13(動力源)、ジェネレータ14(動力源)、および充放電装置20を備える。なお、本実施形態において、エネルギー回生システムは、少なくともモータ13、充放電装置20を含む。
充放電装置20において、スイッチ24が出力端子aに接続されているとき、キャパシタ22、昇圧回路26、ダイオード27、および電池25の順に直列に接続されている。すなわち、本実施形態では、電池25の前段にキャパシタ22が接続されている。
キャパシタ22は、他端が昇圧回路26の入力端に接続されている。
昇圧回路26は、他端がダイオード27の一端(アノード)に接続されている。
ダイオード27は、他端(カソード)がスイッチ24の入力端子に接続されている。
スイッチ24は、出力端子aが電池25の他端(例えば負極側)に接続されている。
ジェネレータ14は、発電機であり、エンジン10によって駆動された歯車11の回転によって発生する動力によって発電を行い、発電した電力をPCU21に供給する。
ダイオード27は、電池25に蓄電された電力がキャパシタ22に逆流するのを防ぐ働きをする。
電池25は、例えばリチウムイオンバッテリーである。
低速走行時、PCU21には、例えば電池25に蓄電されている電力が供給される。PCU21は、供給された電力を用いて、モータ13を駆動することでハイブリッド車両1を低速走行させる。
また、通常走行時、エンジン10の動力を主に用いて走行させる。このエンジン10による動力は、歯車11等を介して車輪12を駆動するとともに、ジェネレータ14にも供給される。そして、ジェネレータ14が発電した電力は、PCU21に供給される。PCU21は、ジェネレータ14から供給された電力を用いてモータ13を駆動し、例えばエンジン10の駆動力を補助する。
そして、モータ13は、減速時、車輪12の回転によって発電した回生エネルギーをPCU21に出力する。PCU21は、この回生エネルギーによる電力をキャパシタ22に蓄電するように制御する。
従来技術で説明した条件と同様に、重量mが1500[kg]、時速vが70[km/h]のハイブリッド車両1を停止するときに発生する運動エネルギーMは、284[kJ](=(1/2)×m×v2)である。そして、停止にまでにかかる時間を5秒間とすると、発電量Pは、56.8[kW](=284[kJ]÷5[sec])である。また、本実施形態では、入力電力損失を抑えるために、キャパシタ22から電池25への放電を、例えば1秒当たり10.8[kJ]とする。
一方、本実施形態では、リチウムイオンキャパシタの出力密度は大きいため、キャパシタ22は停止にまでにかかる5秒間に発電される電気エネルギーをほぼ100%蓄電できる。そして、約26.3[秒](=284[kJ]÷10.8[kJ])で、キャパシタ22から電池25へ蓄電ができる。すなわち、本実施形態によれば、ハイブリッド車両1が27秒以上停止している場合、減速(停止にまでにかかる時間)によって発生した回生エネルギーのほぼ全てを、キャパシタ22から電池25へ移すことができるので、回生エネルギーの利用率がほぼ100%である。このように、本実施形態によれば、利用率をほぼ100%にできるため、従来技術と比較して回生エネルギーの利用効率を向上させることができる。
また、キャパシタ22と電池25の重量の合計は、15.18[kg](=10.8[kg]+4.38[kg])である。このように、本実施形態によれば、減速(停止にまでにかかる時間)によって発生した回生エネルギーの利用率がほぼ100%にするために必要な電池の重量が56.8[kg]の従来技術と比較して、エネルギー回生システムを小型化することができる。
次に、本実施形態の変形例を説明する。
本実施形態では、キャパシタ22が1つの例を説明したが、これに限られない。キャパシタ22の数は2つ以上であってもよい。変形例として、PCU21Aと昇圧回路26との間に並列に接続されるキャパシタ22が2つのキャパシタ22Aとキャパシタ22Bとで構成されている場合を説明する。
図2は、本実施形態の変形例のハイブリッド車両1Aの構成を概念的に示す図である。ハイブリッド車両1と同様の機能を有する機能部については、同じ符号を用いて説明を省略する。図2に示すように、ハイブリッド車両1Aは、エンジン10(動力源)、歯車11、車輪12、モータ13(動力源)、ジェネレータ14(動力源)、および充放電装置20Aを備える。なお、本実施形態において、エネルギー回生システムは、少なくともモータ13、充放電装置20Aを含む。
第1AのSW29Aは、入力端子がPCU21Aと第1BのSW29Bの入力端子に接続され、出力端がキャパシタ22Aの一端に接続され、制御端子がPCU21Aに接続されている。
キャパシタ22Aは、他端が第2AのSW30Aの入力端に接続されている。
第2AのSW30Aは、出力端子がダイオード31Aの一端(アノード)に接続され、制御端子がPCU21Aに接続されている。
ダイオード31Aは、他端(カソード)が昇圧回路26の入力端とダイオード31Bの他端(カソード)に接続されている。
第1BのSW29Bは、入力端子がPCU21Aと第1AのSW29Aの入力端子に接続され、出力端がキャパシタ22Bの一端に接続され、制御端子がPCU21Aに接続されている。
キャパシタ22Bは、他端が第2BのSW30Bの入力端に接続されている。
第2BのSW30Bは、出力端子がダイオード31Bの一端(アノード)に接続され、制御端子がPCU21Aに接続されている。
ダイオード31Bは、他端(カソード)が昇圧回路26の入力端とダイオード31Aの他端(カソード)に接続されている。
スイッチ24Aは、出力端子aが電池25の一端(例えば負極側)に接続され、出力端子bが電池25の他端(例えば正極側)とPCU21Aに接続され、制御端子がPCU21Aに接続されている。
なお、短時間で大電圧が必要な場合、PCU21Aは、全てのスイッチ(第1AのSW29A、第2AのSW30A、第1BのSW29B、および第2BのSW30B)をオン状態にするように制御する。すなわち、短時間で大電圧が必要な場合は、キャパシタ22Aとキャパシタ22Bとで交互に充放電を行わない。この場合は、キャパシタ22Aとキャパシタ22Bとの間の逆流を防ぐ必要がある。このため、図2に示すように、本実施形態では、ダイオードを昇圧回路26とスイッチ24Aとの間ではなく、2つのダイオード(ダイオード31Aとダイオード32B)を備えている。
図3は、本実施形態の変形例の充放電装置20Aの動作例を示す図である。図3において横軸は時刻を表し、縦軸は蓄電量やスイッチの状態を表す。波形g1は、回生エネルギーの変化を表し、波形g2は、キャパシタ22Aの蓄電量の変化を表し、波形g3は第1AのSW29Aの状態を表し、波形g4は第2AのSW30Aの状態を表す。波形g5は、キャパシタ22Bの蓄電量の変化を表し、波形g6は第1BのSW29Bの状態を表し、波形g7は第2BのSW30Bの状態を表し、波形g8は電池25の蓄電量の変化を表す。なお、図3における数値は、蓄電量である電気エネルギーであり、単位は[kJ]である。また、数値の計算条件は、以下である。前述した条件と同様に、重量mが1500[kg]、時速vが70[km/h]のハイブリッド車両1Aを停止するときに発生する運動エネルギーMは、284,000[J](=284[kJ])である。そして、停止にかかる時間を5秒間とすると、発電量Pは、56.8[kW]である。
さらに、1つのキャパシタ(キャパシタ22Aまたはキャパシタ22B)に1秒間で送られる電気エネルギーを56.8[kJ]とする。また、キャパシタ22Aまたはキャパシタ22Bから電池25への放電を、第1実施形態と同様に1秒当たり10.8[kJ]とする。
時刻t6から時刻t7の期間、PCU21Aは、時刻t1から時刻t6の期間にキャパシタ22Aとキャパシタ22Bに蓄電された電気エネルギーを電池25に蓄電するようにスイッチを制御する。なお、蓄電された電気エネルギー240.8[kJ]を電池25へ移動させるのに要する時間は、22.3[秒](240.8÷10.8)である。時刻t7のとき、キャパシタ22Aとキャパシタ22Bそれぞれの蓄電量は0[kJ]であり、電池25の蓄電量は284[kJ]である。すなわち、ハイブリッド車両1Aが5秒間、減速動作を行った後、約23秒以上停止していれば、停止している時間に回生エネルギーをすべて電池25に蓄電することができる。
第1実施形態および第1実施形態の変形例では、キャパシタ22と電池25が直列に接続されている例を説明したが、本実施形態では、キャパシタと電池25が並列に接続されている例を説明する。
図4は、本実施形態に係るハイブリッド車両1Bの構成を概念的に示す図である。ハイブリッド車両1または1Aと同様の機能を有する機能部については、同じ符号を用いて説明を省略する。図4に示すように、ハイブリッド車両1Bは、エンジン10(動力源)、歯車11、車輪12、モータ13(動力源)、ジェネレータ14(動力源)、および充放電装置20Bを備える。なお、本実施形態において、エネルギー回生システムは、少なくともモータ13、充放電装置20Bを含む。
PCU21Bには、キャパシタ22の一端と、ダイオード23の入力端(アノード)と、電池25の一端(例えば正極側)と、スイッチ28の出力端子dが接続されている。
スイッチ24は、出力端子aが電池25の他端(例えば負極側)とスイッチ28の出力端子cに接続され、出力端子bが接地され、制御端子がPCU21Bに接続されている。
電池25は、一端がスイッチ28の出力端子dとPCU21Bに接続されている。
ダイオード27は、他端(カソード)がスイッチ28の入力端子に接続されている。
スイッチ28は、出力端子cが電池25の他端とスイッチ24の出力端子aに接続され、出力端子dが電池25の一端とPCU21Bに接続され、制御端子がPCU21Bに接続されている。
ダイオード23とダイオード27は、電池25に蓄電された電力がキャパシタ22に逆流するのを防ぐ働きをする。
昇圧回路26は、キャパシタ22に蓄電された電圧を昇圧し、昇圧した電力をダイオード27とスイッチ28を介して、電池25またはPCU21Bに供給する。
図5は、本実施形態に係る充放電装置20Bの動作例を示す図である。図5において、横軸は時刻を表し、縦軸は蓄電量またはスイッチの状態を表している。波形g1は、回生エネルギーの変化を表し、波形g12は、キャパシタ22の蓄電量の変化を表し、波形g13は、電池25の蓄電量の変化を表す。また、波形g14は、スイッチ24の状態を表し、波形g15は、スイッチ28の状態を表している。
車両の重量m、時速v、停止するときに発生する運動エネルギーM、停止にかかる時間の条件は、第1実施形態と同様とすると、発電量Pは、56.8[kW]である。また、第1実施形態と同様に、電池25への蓄電を、1秒当たり10.8[kJ]とする。
また、第1実施形態におけるキャパシタ22と電池25の合計重量は、前述したように15.28[kg](=10.8+4.38)、第1実施形態の変形例におけるキャパシタ22Aとキャパシタ22Bと電池25の合計重量は、前述したように14.68[kg](=10.8+3.88)である。従って、本実施形態によれば、第1実施形態および第1実施形態の変形例と比較して、さらにエネルギー回生システムを小型化することができる。
このように、本実施形態によれば、第1実施形態および第1実施形態の変形例と比較して、さらに蓄電時間を短くすることができる。
さらに、本実施形態によれば、第1実施形態、および第1実施形態の変形例と比較して、電池25の蓄電時間を短くすることができる。
ハイブリッド車両1(または1A、1B)が、時速60[km/h](=16.66[km/s])で走行しているとする。また、電池25の電圧値が200[V]、最大充電電流値が22[A]であるとする。ハイブリッド車両1(または1A、1B)の減速時の加速度(減速度)と必要なキャパシタ22の容量は、図6のような関係で表される。図6は、減速度と必要なキャパシタの容量の関係の例を示す図である。図6において、横軸は減速度[m/s2]を表し、縦軸は必要なキャパシタの容量[Wh]を表す。図6に示すように、減速度が5[m/s2]のときに必要なキャパシタ22の容量は、約53[Wh]である。ここで、キャパシタ22のエネルギー密度を18[Wh/kg]であるとすると、キャパシタ22の重量は2.94(=53÷18)[kg]である。キャパシタ22の容量を53[Wh]に選択することで、上述したこの条件の場合には、ほぼ100%、回生エネルギーを回収することができる。
Claims (4)
- 電池と、複数のキャパシタと、動力源と、制御部と、を備え、
前記電池と前記キャパシタは直列接続され、
前記複数のキャパシタは並列に接続され、
前記制御部は、並列に接続されている前記複数のキャパシタの接続を切り替えて前記動力源によって発生する回生エネルギーの充放電を交互に繰り返すように制御し、前記回生エネルギーが発生している期間と前記動力源が停止している期間に、複数の前記キャパシタに蓄電された電力を前記電池へ蓄積させるように制御し、
複数の前記キャパシタの総容量は、前記回生エネルギーが発生している期間における想定される前記動力源の最大の減速度によって得られる前記回生エネルギーを全て蓄積可能な容量であり、
複数の前記キャパシタは、リチウムイオンキャパシタである、エネルギー回生システム。 - 前記制御部は、前記複数のキャパシタのうち第1のキャパシタに前記回生エネルギーを充電しているとき、前記複数のキャパシタのうち第2のキャパシタが蓄電している前記回生エネルギーによる電力を前記電池へ蓄電するように制御する、請求項1に記載のエネルギー回生システム。
- 前記制御部は、前記回生エネルギーが発生している期間、並列に接続されている前記複数のキャパシタの接続を切り替えて前記動力源によって発生する回生エネルギーの充放電を交互に繰り返すように制御し、前記回生エネルギーの発生が終了した後、前記複数のキャパシタが蓄電した前記回生エネルギーによる電力を前記電池へ蓄電するように制御する、請求項1または請求項2に記載のエネルギー回生システム。
- 電池と、キャパシタと、動力源と、制御部と、を備え、
前記電池と前記キャパシタは並列接続され、
前記制御部は、前記キャパシタに前記動力源によって発生する回生エネルギーを、前記電池と前記キャパシタとに同時に蓄電し、前記キャパシタに蓄電された電荷を前記電池への電力供給と前記動力源へ電力供給とを切り替えるように制御し、前記回生エネルギーが発生している期間と前記動力源が停止している期間に、前記キャパシタに蓄電された電力を前記電池へ蓄積させるように制御し、
前記キャパシタの容量は、前記回生エネルギーが発生している期間における想定される前記動力源の最大の減速度によって得られる前記回生エネルギーを全て蓄積可能な容量であり、
前記キャパシタは、リチウムイオンキャパシタである、エネルギー回生システム。
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