JP6343532B2

JP6343532B2 - 二次電池制御装置

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Publication number: JP6343532B2
Application number: JP2014188098A
Authority: JP
Inventors: 朗小野田
Original assignee: Nippon Sharyo Ltd
Current assignee: Nippon Sharyo Ltd
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2014-09-16
Publication date: 2018-06-13
Anticipated expiration: 2034-09-16
Also published as: JP2016063578A

Description

本発明は、二次電池制御装置に関し、特に、二次電池の充放電を簡単、且つ、安定して制御できる二次電池制御装置に関するものである。

従来より、シリーズハイブリッド駆動システムを搭載した鉄道車両、産業車両、クレーン、トラック、バス等の車両が知られている。シリーズハイブリッド駆動システムは、エンジン動力で発電した電力を使って走行モータを駆動し、車両を走行させるシステムである。

図６は、シリーズハイブリッド駆動システム１００の構成図である。シリーズハイブリッド駆動システム１００は、主に、エンジン１０１と、発電機１０２と、定電圧／定電流式の直流電源１０３（以下、ＣＶ／ＣＣ電源１０３と称す）と、二次電池１０４と、走行インバータ１０５と、走行モータ１０６と、コントローラ１０７とによって構成されている。

シリーズハイブリッド駆動システム１００は、特に、ＣＶ／ＣＣ電源１０３を使って二次電池１０４の充放電を制御するタイプである。このタイプのシリーズハイブリッド駆動システム１００を搭載した車両は、例えば、加速、定速状態でＣＶ／ＣＣ電源１０３と二次電池１０４との双方から電力を供給するパターン、二次電池１０４からの電力供給は加速状態だけとするパターン、加速、定速状態で二次電池１０４を充電するパターン等、種々の電力パターンでの走行が可能となり、燃料消費を低減できる。

ＣＶ／ＣＣ電源１０３は、発電機１０２と走行インバータ１０５との間に接続され、負荷が変化しても出力電圧を一定に保つ定電圧電源と、負荷が変化しても出力電流を一定に保つ定電流電源との２つの機能を有している。尚、定電圧電源として動作する状態をＣＶモード、定電流電源として動作する状態をＣＣモードと称している。ＣＶ／ＣＣ電源１０３には、コントローラ１０７から電圧指令と、電流指令とが出力され、ＣＶ／ＣＣ電源１０３は、その電圧指令と電流指令とに従って出力電圧と出力電流とを制御する。

図７は、ＣＶ／ＣＣ電源１０３の動作を説明する図である。ＣＶ／ＣＣ電源１０３に電圧指令と、電流指令とが出力されたとする。この場合、ＣＶ／ＣＣ電源１０３に接続されている走行モータ１０６による負荷抵抗Ｒ_Ｌが、ＣＶ／ＣＣ電源１０３の出力抵抗Ｒｃよりも大きい場合（Ｒ_Ｌ＞Ｒｃ）、ＣＶ／ＣＣ電源１０３はＣＶモードで動作する。ＣＶモードでは、出力電圧が電圧指令で指示されている電圧を保つように、出力電流を制御する。但し、出力電流が電流指令で指示されている電流を超えることはなく、出力電流が電流指令で指示されている電流に達した場合には、自動的にＣＣモードに切り替わり、電流指令で指示されている電流を出力する。即ち、出力電流は、電流指令によって制限されている。

逆に、負荷抵抗Ｒ_Ｌが、ＣＶ／ＣＣ電源１０３の出力抵抗Ｒｃよりも小さい場合には（Ｒ_Ｌ＜Ｒｃ）、ＣＣモードで動作する。ＣＣモードでは、出力電流が電流指令で指示されている電流を保つように、出力電圧を制御する。但し、出力電圧が、電圧指令で指示されている電圧を超えることはなく、出力電圧が、電圧指令で指示されている電圧に達した場合には、自動的にＣＶモードに切り替わり、電圧指令で指示されている電圧を出力する。即ち、出力電圧は、電圧指令によって制限されている。

シリーズハイブリッド駆動システム１００では、かかるＣＶ／ＣＣ電源１０３に対し、コントローラ１０７から電圧指令、電流指令を出力することで、二次電池１０４の充放電を制御している。

図６に戻り、説明を続ける。コントローラ１０７は、例えば、マイクロプロセッサによって構成され、コントローラ１０７には、ＣＶ／ＣＣ電源１０３と、二次電池１０４の充放電電流値（プラスの場合に充電、マイナスの場合に放電）を検出する電流センサ１０８とが信号ライン（図中点線矢印参照）を介して接続されている。コントローラ１０７は、電流センサ１０８で検出される電流値（二次電池１０４の充放電電流値）が、予め設定されている目標値となるように電圧指令と、電流指令とを生成し、その生成した電圧指令と電流指令とをＣＶ／ＣＣ電源１０３に出力して、二次電池１０４の充放電を制御する。

ここで、コントローラ１０７が二次電池１０４の充放電を制御する方法について説明する。かかる制御方法としては、図８〜図１０に示す３つの制御方法が知られている。図８は、第１の制御方法を説明する図であって、コントローラ１０７の内部構成を示す機能的ブロック図である。尚、図８〜図１０では、エンジン１０１と、発電機１０２との図示は省略してある。

第１の制御方法は、電流指令は固定し、電圧指令を制御する方法である。第１の制御方法において、コントローラ１０７は、ＣＶ／ＣＣ電源１０３の最大出力電流値１１１（既定値）をリミッタ１１２に出力し、リミッタ１１２からの出力を電流指令としてＣＶ／ＣＣ電源１０３に出力する。また、コントローラ１０７は、電流センサ１０８で検出される電流値（二次電池１０４の充放電電流値）をローパスフィルタ１１６を介して減算器１１５に出力し、減算器１１５で二次電池１０４の目標電流値１１０との偏差を算出する。そして、算出した偏差を、ＰＩ制御器１１３（電圧指令用のＰＩ定数が設定）を介して、リミッタ１１４に出力し、リミッタ１１４からの出力を電圧指令としてＣＶ／ＣＣ電源１０３に出力する。これにより、ＣＶ／ＣＣ電源１０３から、電圧指令と電流指令とに従った出力電圧と出力電流とが出力され、二次電池１０４の充放電が制御される。

尚、電流センサ１０８で検出される電流値は、図示しない入出力ポートを介してローパスフィルタ１１６に出力され、リミッタ１１２から出力される電流指令と、リミッタ１１４から出力される電圧指令とは、図示しない入出力ポートを介してＣＶ／ＣＣ電源１０３に出力される。

図９は、第２の制御方法を説明する図であって、コントローラ１０７の内部構成を示す機能的ブロック図である。第２の制御方法は、電圧指令は固定し、電流指令を制御する方法である。

第２の制御方法において、コントローラ１０７は、二次電池１０４の充電電圧上限値１１７（既定値）をリミッタ１１４に出力し、リミッタ１１４からの出力を電圧指令としてＣＶ／ＣＣ電源１０３に出力する。また、コントローラ１０７は、電流センサ１０８で検出される電流値（二次電池１０４の充放電電流値）をローパスフィルタ１１６を介して減算器１１５に出力し、減算器１１５で二次電池１０４の目標電流値１１０との偏差を算出する。そして、算出した偏差値を、ＰＩ制御器１１９（電流指令用のＰＩ定数が設定）を介して、リミッタ１１２に出力し、リミッタ１１２からの出力を電流指令としてＣＶ／ＣＣ電源１０３に出力する。これにより、ＣＶ／ＣＣ電源１０３から電圧指令と電流指令とに従った出力電圧と出力電流とが出力され、二次電池１０４の充放電が制御される。

図１０は、第３の制御方法を説明する図であって、コントローラ１０７の内部構成を示す機能的ブロック図である。第３の制御方法は、電圧指令と、電流指令との両方を制御する方法である。

第３の制御方法において、コントローラ１０７は、電流センサ１０８で検出される電流値（二次電池１０４の充放電電流値）をローパスフィルタ１１６を介して減算器１１５に出力し、減算器１１５で二次電池１０４の目標電流値１１０との偏差を算出する。そして、かかる偏差を、ＰＩ制御器１１３を介して、リミッタ１１４に出力し、リミッタ１１４からの出力を電圧指令としてＣＶ／ＣＣ電源１０３に出力する。また、減算器１１５で算出した偏差を、ＰＩ制御器１１９を介して、リミッタ１１２に出力し、リミッタ１１２からの出力を電流指令としてＣＶ／ＣＣ電源１０３に出力する。これにより、ＣＶ／ＣＣ電源１０３から、電圧指令と電流指令とに従った出力電圧と出力電流とが出力され、二次電池１０４の充放電が制御される。

尚、二次電池の充放電を制御する方法としては、上述した制御方法の他にも、充電電圧値と充電電流値とに関する信号に基づいて、電圧調節器と電流調節器とによって二次電池の充放電を制御する方法が次の特許文献１に記載されている。

特開２００７―２１５２５１号公報

しかしながら、図８〜図１０に示す第１〜第３の制御方法では、次の問題点があった。まず、第１の制御方法において、ＣＶモードで動作している場合に、例えば、温度上昇により二次電池１０４の内部抵抗が急激に低下し、負荷抵抗Ｒ_Ｌが急激に低くなると、ＣＶモードからＣＣモードに切り替わる。そうすると、ＣＶ／ＣＣ電源１０３は、電圧指令を維持しようとして大電流を供給する。そして、かかる大電流が二次電池１０４に供給され、二次電池１０４が充電される。そうすると、コントローラ１０７は、電圧指令を下げようと制御するが、電圧指令は、二次電池１０４の目標電流値１１０と、電流センサ１０８で検出される電流値（二次電池１０４の充放電電流値）との偏差に比例しているので、今度は、二次電池１０４が放電される。そのため、二次電池１０４の充放電電流のハンチング現象が発生し、二次電池１０４の温度が益々上昇し、ハンチングが収まらなくなる。そして、ハンチングが過大になると、各電子回路が電圧異常を検出してしまう。このように、第１の制御方法では、二次電池１０４の充放電電流を安定して制御できないという問題点があった。

図１１と、図１２とは、図８に示す第１の制御方法（電流指令は固定、電圧指令を制御）を模擬試験装置で実験した実験結果を示すグラフであり、図１１が二次電池１０４の温度が２０度の場合、図１２が二次電池１０４の温度が３０度の場合を示している。尚、模擬試験装置とは、図６に示すシリーズハイブリッド駆動システム１００において、エンジン１０１と発電機１０２とを商用電源に代替し、走行インバータ１０５と、走行モータ１０６とを電子負荷装置に代替した装置である。また、本実験では、二次電池１０４の目標電流値１１０を０Ａとした。

その結果、図１１，図１２に示す通り、二次電池１０４の温度が２０度の場合にも、３０度の場合にも、電流指令は右軸に示す１０００で固定され、電圧指令は右軸に示す２７５０付近で変動し、ＣＶ／ＣＣ電源１０３の出力電流は左軸に示す２Ａ〜３０Ａで変動し、一点鎖線で示すＣＶ／ＣＣ電源１０３の出力電圧は左軸に示す２７Ｖ付近で変動して出力された。

そして、点線で示すバッテリ電流（電流センサ１０８で検出される二次電池１０４の充放電電流）は、いずれも左軸に示す０Ａに対してハンチング現象が発生していることが確認された。尚、図１２に示す二次電池１０４の温度が３０度の場合の方が、図１１に示す２０度の場合よりもハンチング現象が顕著に発生しているのは、図８に示すＰＩ制御器１１９に設定されているＰＩ定数が、二次電池１０４の温度が３０度よりも２０度に近い場合を想定して設定されているからである。

かかる二次電池１０４の温度がＰＩ定数に与える影響を考慮すれば、二次電池１０４の温度を逐次検出し、その温度に応じたＰＩ定数を逐次設定することも考えられる。しかし、温度に応じてＰＩ定数を設定するには、温度上昇検証試験が必要になり手間である。しかも、二次電池１０４の内部抵抗は、温度上昇により低下するが、経年変化、充電率（ＳＯＣ）の低下により増加するので、それを踏まえて温度に応じてＰＩ定数を設定するのは更に手間である、という問題点を招来する。

次に、図９に示す第２の制御方法では、以下の問題点があった。図１３，図１４は、第２の制御方法（電圧指令は固定、電流指令を制御）を上述した模擬試験装置で実験した実験結果を示すグラフであり、図１３が二次電池１０４の温度が２５度の場合、図１４が二次電池１０４の温度が２８度の場合を示している。また、本実験では、二次電池１０４の目標電流値１１０を０Ａとする場合について実験した。

その結果、図１３に示す二次電池１０４の温度が２５度の場合、電圧指令は右軸に示す２８７０で固定され、電流指令は右軸に示す１００〜６００で変動し、ＣＶ／ＣＣ電源１０３の出力電流は左軸に示す４Ａ〜２８Ａで変動し、一点鎖線で示すＣＶ／ＣＣ電源１０３の出力電圧は左軸に示す２７Ｖ付近で変動して出力された。また、図１４に示す二次電池１０４の温度が２８度の場合、電圧指令は右軸に示す２８７０で固定され、電流指令は右軸に示す４００〜６００で変動し、ＣＶ／ＣＣ電源１０３の出力電流は左軸に示す２０Ａ〜２８Ａで変動し、一点鎖線で示すＣＶ／ＣＣ電源１０３の出力電圧は左軸に示す２７Ｖ付近で変動して出力された。

そして、点線で示すバッテリ電流（電流センサ１０８で検出される二次電池１０４の充放電電流）は、いずれも電流リップル（脈動）が発生することが確認された。電流リップルが発生するのは、ＣＶ／ＣＣ電源１０３の出力電流は、生成された電流指令に従って出力されるからである。即ち、ＣＶ／ＣＣ電源１０３の出力電流は、負荷に対して遅れて出力されるので、その間に二次電池１０４が充放電され、その立ち上がり（充電）と、立ち下がり（放電）とにおいて電流リップルが発生するのである。このように、第２の制御方法では、電流リップルが発生し、電流リップルが発生すると、発熱の原因となり、二次電池１０４の内部抵抗が変化して、二次電池１０４の充放電電流を安定して制御ができない、という問題点があった。

尚、第２の制御方法では、電圧指令は二次電池１０４の充電電圧上限値で固定され、かかる充電電圧上限値は、二次電池１０４の充電率（ＳＯＣ）を１００％に設定する値であり、通常運転中に二次電池１０４の充電率（ＳＯＣ）が１００％になることはない。そのため、第２の制御方法では、常時、ＣＣモードで動作することになる。よって、二次電池１０４の内部抵抗が急激に小さくなっても、第１の制御方法のようにハンチング現象は発生しない。

次に、図１０に示す第３の制御方法では、以下の問題点があった。図１５，図１６は、第３の制御方法（電圧指令と、電流指令との両方を制御）を上述した模擬試験装置で実験した実験結果を示すグラフであり、図１５が二次電池１０４の温度が２０度の場合、図１６が二次電池１０４の温度が３０度の場合を示している。本実験では、二次電池１０４の目標電流値１１０を０Ａとする場合について実験した。

その結果、図１５に示す二次電池１０４の温度が２０度の場合、電圧指令は右軸に示す２７５０付近で変動し、電流指令は右軸に示す６００〜１０００で変動し、ＣＶ／ＣＣ電源１０３の出力電流は左軸に示す３Ａ〜３０Ａで変動し、一点鎖線で示すＣＶ／ＣＣ電源１０３の出力電圧は左軸に示す２７Ｖ付近で変動して出力された。また、図１６に示す二次電池１０４の温度が３０度の場合、電圧指令は右軸に示す２７５０付近で変動し、電流指令は右軸に示す２５０〜７５０で変動し、ＣＶ／ＣＣ電源１０３の出力電流は左軸に示す３Ａ〜３０Ａで変動し、一点鎖線で示すＣＶ／ＣＣ電源１０３の出力電圧は左軸に示す２７Ｖ付近で変動して出力された。

そして、点線で示すバッテリ電流（電流センサ１０８で検出される二次電池１０４の充放電電流）は、いずれも、左軸に示す０Ａに対してハンチング現象が発生することが確認された。即ち、第３の制御方法でも第１の制御方法と同様に、二次電池１０４の充放電電流のハンチング現象が発生し、二次電池１０４の充放電電流を安定して制御できないという問題点があった。

また、第３の制御方法では、電圧指令と、電流指令という異なる２つの指令を、二次電池１０４の充放電電流という同じ１つのパラメータを用いて制御している。そのため、電圧指令用のＰＩ定数と、電流指令用のＰＩ定数との双方を設定するのが困難であり、二次電池１０４の充放電電流を安定して制御できないという問題点があった。

次に、特許文献１に記載されている技術では、電圧調節器と電流調節器とを用意する必要があり、システムが複雑化するという問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、特に、二次電池の充放電を簡単、且つ、安定して制御できる二次電池制御装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、請求項１記載の二次電池制御装置は、入力される電圧指令と電流指令とに基づいて定電圧電源と定電流電源との少なくとも一方として機能する定電圧定電流電源と、その定電圧定電流電源と接続される負荷装置と、その負荷装置と前記定電圧定電流電源との間から分岐して接続される二次電池とを備え、前記二次電池の充放電電流を目標電流に制御するものであって、前記二次電池の充放電電流を検出する検出手段と、前記目標電流と前記検出手段により検出された充放電電流との偏差をＰＩ制御した値を、前記電圧指令として生成して前記定電圧定電流電源に出力する電圧指令手段と、前記負荷装置で消費された負荷電流を算出する算出手段と、前記目標電流と前記算出手段により算出された負荷電流との加算値を、前記電流指令として生成して前記定電圧定電流電源に出力する電流指令手段とを備えている。

尚、ＰＩ制御とは、フィードバック制御の一種であり、目標電流と検出手段により検出された充放電電流との偏差を求め、その偏差に比例して電圧指令（定電圧定電流電源に出力する値）を変化させて動作する比例動作と、かかる偏差が継続している時間に比例して電圧指令を変化（つまり、偏差の積分に比例して電圧指令を変化）させて動作する積分動作とを組み合わせた制御であり、周知の制御技術である。

請求項２記載の二次電池制御装置は、請求項１記載の二次電池制御装置において、前記負荷装置は、前記定電圧定電流電源と接続されるインバータと、そのインバータと接続されるモータとを備え前記算出手段は、前記インバータのトルクと前記モータの回転数との乗算値を、前記インバータへの入力電圧と前記インバータのインバータ効率との乗算値で除算して、前記負荷電流を算出する。

請求項３記載の二次電池制御装置は、請求項２に記載の二次電池制御装置において、前記モータが始動してから所定の回転数に到達するまでのモータ始動期間かを判断する判断手段と、前記判断手段によってモータ始動期間であると判断された場合に、前記電流指令手段から前記電流指令を出力するのを禁止する禁止手段とを備えている。

請求項４記載の二次電池制御装置は、請求項３記載の二次電池電制御装置において、前記電流指令として、前記定電圧定電流電源から出力可能な最大電流を前記定電圧定電流電源に出力する最大電流指令手段を備え、前記禁止手段は、前記判断手段によってモータ始動期間であると判断された場合に、前記電流指令手段から前記電流指令を出力するのを禁止して、前記最大電流指令手段から電流指令を出力させ、前記判断手段によってモータ始動期間でないと判断された場合に、前記最大電流指令手段から電流指令を出力するのを禁止して、前記電流指令手段から電流指令を出力させる。

請求項５記載の二次電池制御装置は、請求項１から４のいずれかに記載の二次電池制御装置において、エンジンと、そのエンジンの動力により駆動して前記定電圧定電流電源に供給する電力を発電する発電機とを備えている。

請求項１記載の二次電池制御装置によれば、電圧指令手段によって、二次電池を充放電する目標電流と、二次電池の充放電電流との偏差をＰＩ制御した値が電圧指令として生成され定電圧定電流電源に出力される。また、電流指令手段によって、二次電池を充放電する目標電流と、負荷装置で消費された負荷電流との加算値が電流指令として生成され定電圧定電流電源に出力される。即ち、電流指令は、電圧指令とは異なるパラメータによって生成される。よって、電圧指令と、電流指令とを、同じパラメータ（二次電池の充放電電流）を使ってＰＩ制御して生成するよりも、ＰＩ定数の設定を簡単にでき、安定して二次電池の充放電を制御できる。また、電圧指令と、電流指令との何れか一方を固定してしまう場合よりも、電圧指令と、電流指令との両方を生成している上、特に、電流指令を二次電池を充放電する目標電流と負荷装置で消費された負荷電流との加算値としているので、温度変化による二次電池の内部抵抗の変化があっても、ハンチング現象の発生や、電流リップル（脈動）の発生を抑制でき、安定して二次電池の充放電を制御できるという効果がある。

請求項２記載の二次電池制御装置によれば、請求項１記載の二次電池制御装置が奏する効果に加え、負荷装置は、インバータと、モータとを備え、その負荷装置で消費された負荷電流は、インバータのトルクとモータの回転数とを乗算した値を、インバータへの入力電圧とインバータのインバータ効率との乗算値で除算して算出される。そのため、負荷装置で消費された負荷電流を簡単に算出でき、ひいては、二次電池の充放電制御を簡単にできるという効果がある。

請求項３記載の二次電池制御装置によれば、請求項２に記載の二次電池制御装置が奏する効果に加え、モータ始動期間に、二次電池から大電流が放電されるのを防止できるという効果がある。即ち、モータ始動期間は、インバータで消費される負荷電流が大きく、モータ始動期間に、電流指令手段によって電流指令を出力してしまうと、電流指令は、二次電池を充放電する目標電流と、モータを含む負荷装置で消費された負荷電流との加算値から生成されるので、二次電池から大電流が放電されてしまう。しかし、モータ始動期間である場合には、電流指令手段によって電流指令を出力するのが禁止手段により禁止される。よって、モータ始動期間に、二次電池から大電流が放電されるのを防止できるという効果がある。

請求項４記載の二次電池制御装置によれば、請求項３記載の二次電池制御装置が奏する効果に加え、モータ始動期間である場合には、電流指令手段によって電流指令を出力するのが禁止され、定電圧定電流電源から出力可能な最大電流が電流指令として出力される。よって、モータ始動期間において、定電圧定電流電源から出力可能な最大電流を供給できる。一方、モータ始動期間でない場合には、かかる最大電流を電流指令として出力するのが禁止され、電流指令手段によって電流指令を出力される。よって、モータ始動期間でない場合には、二次電池の負荷変動に対し、安定して二次電池の充放電を制御できるという効果がある。

請求項５記載の二次電池制御装置によれば、請求項１から４のいずれかに記載の二次電池制御装置が奏する効果に加え、エンジンと、そのエンジンの動力により駆動して前記定電圧定電流電源に供給する電力を発電する発電機とを備えているので、シリーズハイブリット駆動システムとして、鉄道車両、産業車両、クレーン、トラック、バス等の車両に適用できるという効果がある。

シリーズハイブリッド駆動システムの構成図である。第１実施形態の制御方法を実行するコントローラの機能的ブロック図である。第１実施形態の制御方法の実験結果を示すグラフである。第１実施形態の制御方法の実験結果を示すグラフである。第２実施形態の制御方法を実行するコントローラの機能的ブロック図である。従来のシリーズハイブリッド駆動システムの構成図である。ＣＶ／ＣＣ電源の動作を説明する図である。従来の第１の制御方法を実行するコントローラの機能的ブロック図である。従来の第２の制御方法を実行するコントローラの機能的ブロック図である。従来の第３の制御方法を実行するコントローラの機能的ブロック図である。従来の第１の制御方法の実験結果を示すグラフである。従来の第１の制御方法の実験結果を示すグラフである。従来の第２の制御方法の実験結果を示すグラフである。従来の第２の制御方法の実験結果を示すグラフである。従来の第３の制御方法の実験結果を示すグラフである。従来の第３の制御方法の実験結果を示すグラフである。

以下、本発明の好ましい実施形態について、添付図面を参照して説明する。図１は、シリーズハイブリッド駆動システム１の構成図である。シリーズハイブリッド駆動システム１は、エンジン２の動力を使って発電機３で発電させ、その発電させた電力を使って走行モータ７を駆動させるものであって、特に、二次電池の充放電を簡単、且つ、安定して制御できるものである。

シリーズハイブリッド駆動システム１は、主に、エンジン２と、発電機３と、ＣＶ／ＣＣ電源４と、二次電池５と、走行インバータ６と、走行モータ７と、コントローラ８とによって構成されている。

エンジン２は、発電機３と接続され、燃料を燃焼させた動力を発電機３に出力する。発電機３は、エンジン２とＣＶ／ＣＣ電源４とに接続され、エンジン２から入力される動力を使って交流電力を発電し、その交流電力をＣＶ／ＣＣ電源４に供給する。

ＣＶ／ＣＣ電源４は、二次電池５と走行インバータ６とに接続され、発電機３から出力される交流電力から直流電力を生成し、その直流電力を、二次電池５と、走行インバータ６とに供給する。尚、ＣＶ／ＣＣ電源４は、上述した通り、定電圧電源と、定電流電源との２つの機能を有し、コントローラ８から出力される電流指令、電圧指令によって、出力電流と、出力電圧とが制御される。

また、ＣＶ／ＣＣ電源４と、走行インバータ６とを接続する電源ラインの途中には、電圧センサ１０と、ダイオード１１とが接続され、電圧センサ１０によってＣＶ／ＣＣ電源４の出力電圧が検出され、ダイオード１１によって走行インバータ６側からＣＶ／ＣＣ電源４へ電流が流れるのが防止されている。

二次電池５は、例えば、リチウムイオン二次電池によって構成され、電圧センサ１０と走行インバータ６との途中から分岐した電源ラインに電流センサ９を介して接続されている。即ち、二次電池５の充放電電流は、ＣＶ／ＣＣ電源４の出力電圧を制御することで制御されている。例えば、ＣＶ／ＣＣ電源４の出力電圧を、二次電池５の電圧よりも下げれば二次電池５から電流が走行インバータ６に放電され、ＣＶ／ＣＣ電源４の出力電圧を二次電池５の電圧よりも上げれば、ＣＶ／ＣＣ電源４から二次電池５に電流が充電される。尚、二次電池５の充放電電流は、電流センサ９によって検出可能に構成されている。

走行インバータ６は、走行モータ７と接続され、ＣＶ／ＣＣ電源４、二次電池５から供給される直流電力を交流電力に変換して走行モータ７をトルク制御する。また、走行インバータ６は、走行モータ７のトルクを検出し、その検出したトルクを信号ライン（図中点線矢印参照）を介してコントローラ８に出力する。

走行モータ７は、例えば、図示しない走行装置と接続され、走行インバータ６から供給される交流電力によって駆動する交流モータであり、走行装置を回転駆動させる。また、走行モータ７には、回転センサ７ａが接続されており、回転センサ７ａによって走行モータ７の回転数が検出される。また、回転センサ７ａは、信号ライン（図中点線矢印参照）を介してコントローラ８（入出力ポート１５）と接続され、回転センサ７ａで検出された回転数は、信号ライン（図中点線矢印参照）を介してコントローラ８に出力される。

コントローラ８は、主に、二次電池５の充放電を制御するものであり、ＣＶ／ＣＣ電源４に出力する電圧指令と、電流指令とを生成し、その生成した電圧指令と、電流指令とを信号ライン（図中点線矢印参照）を介してＣＶ／ＣＣ電源４に出力する。

コントローラ８は、主に、ＣＰＵ１２と、ＲＯＭ１３と、ＲＡＭ１４と、入出力ポート１５とによって構成されている。ＣＰＵ１２、ＲＯＭ１３、ＲＡＭ１４は、バスライン１６を介して互いに接続されている。また、バスライン１６と、ＣＶ／ＣＣ電源４、電圧センサ１０、電流センサ９、走行インバータ６、回転センサ７ａとは、入出力ポート１５を介して互いに接続されている。

ＣＰＵ１２は、ＲＯＭ１３に記憶されている固定値やプログラムに従って、入出力ポート１５と接続された各部を制御する演算装置である。ＲＯＭ１３は、シリーズハイブリッド駆動システム１で実行される制御プログラム等を格納した書換不能な不揮発性のメモリである。例えば、ＲＯＭ１３には、加速、定速状態ではＣＶ／ＣＣ電源４と二次電池５と
の双方から電力供給し、減速、停止、アイドリング状態ではＣＶ／ＣＣ電源４だけから電力供給し、二次電池５は充電するように電力の供給を制御するための電力供給制御プラグラムが記憶されており、コントローラ８（ＣＰＵ１２）は、その電力供給制御プログラムに従って、二次電池５の充放電電流を制御する。ＲＡＭ１４は、各種情報を一時的に記憶する書換可能な揮発性のメモリである。

入出力ポート１５は、コントローラ８と、各種装置とを繋ぐインターフェースである。具体的には、電圧指令と、電流指令とが、入出力ポート１５を介してコントローラ８からＣＶ／ＣＣ電源４に出力される。電流センサ９で検出される電流値（二次電池５の充放電電流値）と、電圧センサ１０で検出されるＣＶ／ＣＣ電源４の出力電圧値と、走行インバータ６のトルクと、回転センサ７ａで検出される走行モータ７の回転数とが、入出力ポート１５を介してコントローラ８に入力される。

次に、図２を参照して、二次電池５の充放電を制御する第１実施形態の制御方法について説明する。図２は、コントローラ８の内部構成を示す機能的ブロック図である。尚、図２では、入出力ポート１５の図示は省略してあるが、上述した通り、電圧指令、電流指令、電流センサ９で検出される電流値（二次電池５の充放電電流値）、電圧センサ１０で検出されるＣＶ／ＣＣ電源４の出力電圧値、走行インバータ６のトルク、走行モータ７の回転数は、入出力ポート１５を介してコントローラ８に入出力される。

まず、コントローラ８（ＣＰＵ１２）が電圧指令を生成し、その電圧指令をＣＶ／ＣＣ電源４に出力する場合について説明する。コントローラ８は、ＲＯＭ１３（図１参照）に記憶されている電力供給制御プログラムに従って二次電池５の目標電流値２０を減算器２１に出力する。また、電流センサ９で検出される電流値（二次電池５の充放電電流値）をローパスフィルタ２２を介して減算器２１に出力する。そして、減算器２１で二次電池５の目標電流値２０から電流センサ９で検出される電流値（二次電池５の充放電電流値）を減算し、その偏差をＰＩ制御器２３（電圧指令用のＰＩ定数が設定）を介して、リミッタ２４に出力する。そして、リミッタ２４からの出力を電圧指令として、ＣＶ／ＣＣ電源４に出力する。

即ち、電圧指令は、二次電池５の目標電流値２０と、電流センサ９で検出される電流値（二次電池５の充放電電流値）との偏差をＰＩ制御した値として生成され、ＣＶ／ＣＣ電源４に出力される。

次に、コントローラ８が電流指令を生成し、電流指令をＣＶ／ＣＣ電源４に出力する場合について説明する。コントローラ８は、電圧センサ１０で検出されるＣＶ／ＣＣ電源４の出力電圧値をローパスフィルタ２６を介して負荷電流演算回路２５に出力する。また、走行インバータ６のトルクと、回転センサ７ａで検出された走行モータ７の回転数とを負荷電流演算回路２５に出力する。

ここで、負荷電流演算回路２５は、走行インバータ６で消費された負荷電流を演算する回路である。かかる負荷電流は、次の（１）式によって演算できる。尚、（１）式中、Ｔｍは走行インバータ６のトルク（Ｎｍ）、Ｒｍは走行モータ７の回転数（ｒｐｍ）、ηは走行インバータ６のインバータ効率、Ｖｂは電圧センサ１０で検出されるＣＶ／ＣＣ電源４の出力電圧（Ｖ）を示す。尚、インバータ効率は、既定値である。

（１）負荷電流＝（Ｔｍ×Ｒｍ×２π／６０）／（η×Ｖｂ）
コントローラ８は、負荷電流演算回路２５で演算した負荷電流を加算器２７に出力すると共に、ＲＯＭ１３（図１参照）に記憶されている電力供給制御プログラムに従って二次電池５の目標電流値２０を加算器２７に出力し、加算器２７で負荷電流と二次電池５の目標電流値２０とを加算する。そして、その加算値をリミッタ２８に出力し、リミッタ２８からの出力を電流指令として、ＣＶ／ＣＣ電源４に出力する。

即ち、電流指令は、次の（２）式で生成され、ＣＶ／ＣＣ電源４に出力される。

（２）電流指令＝負荷電流＋二次電池の目標電流値
こうして、コントローラ８によって、電圧指令と電流指令とが生成され、電圧指令と電流指令とがＣＶ／ＣＣ電源４に出力されるとＣＶ／ＣＣ電源４から、電圧指令と電流指令とに従った出力電圧と出力電流とが出力され、二次電池５の充放電が制御される。

図３と、図４とは、図２に示す第１実施形態の制御方法を模擬試験装置で実験した実験結果を示すグラフであり、図３が二次電池５の温度が２０度の場合、図４が二次電池５の温度が２９度の場合を示している。尚、模擬試験装置は、図１に示すシリーズハイブリッド駆動システム１において、エンジン１と発電機２とを商用電源に代替し、走行インバータ６と、走行モータ７とを電子負荷装置に代替した装置である。また、本実験では、二次電池５の目標電流値２０を０Ａとした。

その結果、図３に示す二次電池５の温度が２０度の場合でも、図４に示す二次電池５の温度が２９度の場合でも、電流指令は右軸に示す０〜５５０で変動し、電圧指令は右軸に示す２８７０付近で変動し、ＣＶ／ＣＣ電源４の出力電流は左軸に示す２Ａ〜３０Ａで変動し、一点鎖線で示すＣＶ／ＣＣ電源４の出力電圧は左軸に示す２７Ｖ付近で変動するように出力された。

そして、点線で示すバッテリ電流（電流センサ９で検出される二次電池５の充放電電流）については、左軸に示す０Ａに対して、ほぼ安定して出力され、ハンチング現象も、電流リップル（脈動）の発生も確認できなかった。

このように、第１実施形態の制御方法では、電圧指令を二次電池５の目標電流値２０と二次電池５の充放電電流との偏差をＰＩ制御した値とし、電流指令を負荷電流と二次電池５の目標電流値２０との加算値としている。即ち、電圧指令と、電流指令とを、異なるパラメータを使って生成している。

そのため、電圧指令と、電流指令とを、同じパラメータ（二次電池５の充放電電流）を使ってＰＩ制御して生成するよりも、ＰＩ定数の設定を簡単にでき、安定して二次電池５の充放電を制御できる。また、電圧指令と、電流指令との何れか一方を固定してしまう場合よりも、電圧指令と、電流指令との両方を生成している上、特に、電流指令を負荷電流と二次電池５の目標電流値２０との加算値としているので、温度変化による二次電池５の内部抵抗の変化があったとしても、ハンチング現象の発生、電流リップル（脈動）の発生を抑制でき、安定して二次電池５の充放電を制御できる。

次に、図５を参照して、二次電池５の充放電を制御する第２実施形態の制御方法について説明する。図５は、第２実施形態の制御方法を実行するコントローラ３０の内部構成を示す機能的ブロック図である。尚、図２に示す第１実施形態のコントローラ８と同一の構成については共通する符号を付し、その説明を省略する。

第２実施形態の制御方法を実行するコントローラ３０は、第１実施形態の制御方法を実行するコントローラ８に対し、発進判定回路３１と、第１スイッチ３２と、第２スイッチ３３とを追加したものである。

発進判定回路３１は、走行モータ７の回転数が、０から所定の回転数（例えば１０００ｒｐｍ）までの範囲内か、範囲外かを判定するものである。そして、その範囲内であればモータ始動期間として、第１スイッチ３２をオフ、第２スイッチ３３をオンに設定し、範囲外であればモータ始動期間ではないとして第１スイッチ３２をオン、第２スイッチ３３をオフに設定するものである。尚、走行モータ７の回転数は、回転センサ７ａから出力される走行モータ７の回転数に基づいて判定する。

第１スイッチ３２は、加算器２７と、リミッタ２８との間に設けられ、加算器２７において加算される負荷電流と二次電池５の目標電流値２０との加算値を電流指令として、ＣＶ／ＣＣ電源４に出力する場合と（オン）、出力しない場合（オフ）とを切り換えるスイッチである。

第２スイッチ３３は、第１スイッチ３２と、リミッタ２８との間から枝分かれした信号ラインに設けられ、ＣＶ／ＣＣ電源４の最大電流値３４を電流指令として、ＣＶ／ＣＣ電源４に出力する場合と（オン）、出力しない場合（オフ）とを切り換えるスイッチである。ＣＶ／ＣＣ電源４の最大電流値３４は、予め設定されている既定値である。

このように、発進判定回路３１によって、走行モータ７の回転数が０から所定の回転数（例えば１０００ｒｐｍ）までの範囲内であると判定された場合には、第１スイッチ３２がオフ、第２スイッチ３３をオンに設定され、ＣＶ／ＣＣ電源４の最大電流値３４が電流指令としてＣＶ／ＣＣ電源４に出力される。

一方、発進判定回路３１によって、走行モータ７の回転数が０から所定の回転数（例えば１０００ｒｐｍ）までの範囲外であると判定された場合には、第１スイッチ３２がオン、第２スイッチ３３がオフに設定され、負荷電流と二次電池５の目標電流値２０との加算値が電流指令としてＣＶ／ＣＣ電源４に出力される。

走行モータ７の回転数が０から所定の回転数（例えば１０００ｒｐｍ）までのモータ始動期間では、走行モータ７で消費される負荷電流が大きく、かかるモータ始動期間に、負荷電流と二次電池５の目標電流値２０との加算値を電流指令として出力してしまうと、二次電池５から大電流が放電されてしまう。

しかし、モータ始動期間である場合には、第１スイッチ３２がオフ、第２スイッチ３３がオンに設定されるので、負荷電流と二次電池５の目標電流値２０との加算値が電流指令としてＣＶ／ＣＣ電源４に出力されず、ＣＶ／ＣＣ電源４の最大電流値３４が電流指令としてＣＶ／ＣＣ電源４に出力される。よって、モータ始動期間に、二次電池５から大電流が放電されるのを防止できると共に、ＣＶ／ＣＣ電源４から出力可能な最大電流を供給できる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変更が可能であることは容易に推察できるものである。

上記実施形態では、本発明の二次電池制御装置を、シリーズハイブリッド駆動システム１に適用する場合について説明したが、本発明の二次電池制御装置を適用する装置としては、シリーズハイブリッド駆動システム１において、エンジン２と発電機３とに代替可能な電源とし、走行インバータ６と、走行モータ７とに代替可能な負荷装置とした装置にも適用できる。

また、上記実施形態では、電流指令を負荷電流と二次電池５の目標電流値２０との加算値としたが、負荷電流と二次電池５の目標電流値２０とに更に、電流センサ９、電圧センサ１０等の機器で消費される電流を加算したものを、電流指令としても良い。かかる場合には、より安定して二次電池５の充放電を制御できる。

また、上記実施形態では、負荷電流演算回路２５は負荷電流＝（Ｔｍ×Ｒｍ×２π／６０）／（η×Ｖｂ）とし、Ｖｂを、電圧センサ１０で検出されるＣＶ／ＣＣ電源４の出力電圧（Ｖ）とする場合について説明したが、これに代えて、走行インバータ６への入力電圧を検出可能な電圧センサを設け、その電圧センサで検出される電圧をＶｂとして適用しても良い。

１シリーズハイブリッド駆動システム（二次電池制御装置）
２エンジン
３発電機
４ＣＶ／ＣＣ電源（定電圧定電流電源）
５二次電池
６走行インバータ（負荷装置、インバータ）
７走行モータ（負荷装置、モータ）
８コントローラ（電圧指令手段、電流指令手段、最大電流指令手段）
９電流センサ（検出手段）
１２ＣＰＵ（電圧指令手段、電流指令手段、最大電流指令手段）
２３ＰＩ制御器（電圧指令手段）
２１減算器（電流指令手段）
２５負荷電流演算回路（算出手段）
２７加算器（電圧指令手段）
３１発進判定回路（判断手段）
３２第１スイッチ（禁止手段）
３３第２スイッチ（禁止手段）

Claims

入力される電圧指令と電流指令とに基づいて定電圧電源と定電流電源との少なくとも一方として機能する定電圧定電流電源と、その定電圧定電流電源と接続される負荷装置と、その負荷装置と前記定電圧定電流電源との間から分岐して接続される二次電池とを備え、前記二次電池の充放電電流を目標電流に制御する二次電池制御装置において、
前記二次電池の充放電電流を検出する検出手段と、
その検出手段により検出された充放電電流と、前記目標電流との偏差をＰＩ制御した値を前記電圧指令として生成し前記定電圧定電流電源に出力する電圧指令手段と、
前記負荷装置で消費された負荷電流を算出する算出手段と、
その算出手段により算出された負荷電流と、前記目標電流との加算値を、前記電流指令として生成し前記定電圧定電流電源に出力する電流指令手段とを備えていることを特徴とする二次電池制御装置。
前記負荷装置は、前記定電圧定電流電源と接続されるインバータと、そのインバータと接続されるモータとを備え
前記算出手段は、前記インバータのトルクと前記モータの回転数との乗算値を、前記インバータへの入力電圧と前記インバータのインバータ効率との乗算値で除算して、前記負荷電流を算出することを特徴とする請求項１に記載の二次電池制御装置。
前記モータが始動してから所定の回転数に到達するまでのモータ始動期間かを判断する判断手段と、
前記判断手段によってモータ始動期間であると判断された場合に、前記電流指令手段から前記電流指令を出力するのを禁止する禁止手段とを備えていることを特徴とする請求項２に記載の二次電池制御装置。
前記電流指令として、前記定電圧定電流電源から出力可能な最大電流を前記定電圧定電流電源に出力する最大電流指令手段を備え、
前記禁止手段は、前記判断手段によってモータ始動期間であると判断された場合に、前記電流指令手段から前記電流指令を出力するのを禁止して、前記最大電流指令手段から電流指令を出力させ、前記判断手段によってモータ始動期間でないと判断された場合に、前記最大電流指令手段から前記電流指令を出力するのを禁止して、前記電流指令手段から電流指令を出力させることを特徴とする請求項３に記載の二次電池制御装置。
エンジンと、
そのエンジンの動力により駆動して前記定電圧定電流電源に供給する電力を発電する発電機とを備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の二次電池制御装置。