JP6384367B2 - 電源システム - Google Patents
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Description
その結果、出力端子を介して負荷に供給される最大出力は電流制御装置の出力能力で規制されるため、瞬発性蓄電池の応答性が低下することとなる。また、せっかく瞬発性蓄電池が出力した大電力を負荷に供給しようとすると、電流制御装置の要求出力を大きくせざるを得ない。したがって、電流制御装置が大型化し、コストが上昇するという問題がある。
加えて、瞬発性蓄電池の容量が不足した場合の処置や、主機駆動装置等の高圧負荷側の制御装置に対し電源システム側の情報を通知する構成について、特許文献1には何ら言及されていない。したがって、高圧負荷の要求特性に応じて、各電源の能力を適切に反映した効率的な電力供給制御を十分に実行することができない。
高圧電源は、出力型電源で構成され、主機としての回転機を駆動する回転機システムに直流電力を供給可能である。低圧電源は、容量型電源で構成され、主機以外の補機負荷に直流電力を供給可能である。変電機は、高圧電源と低圧電源とを双方向に変圧可能に接続する。
変電機制御装置は、低圧電源の容量が適正範囲から外れたとき、高圧電源により補完し、高圧電源の容量または入出力が適正範囲から外れたとき、低圧電源により補完するように変電機を制御し、且つ、回転機システムを制御する回転機制御装置に対し、高圧電源及び低圧電源の入出力能力の合計値を通知する。
ここで、「入出力が適正範囲から外れたとき」とは、出力が不足するとき、及び、入力が過剰となるときを含む。
このように、本発明では、変電機制御装置と回転機制御装置とが相互に情報を交換するため、各電源の能力を適切に反映した効率的な電力供給制御を行うことができる。
具体的に変電機制御装置は、回転機の力行動作により高圧電源の容量または電圧が所定値よりも低下したとき、低圧電源から高圧電源に充電するように変電機を制御し、回転機の回生動作により高圧電源の容量または電圧が所定値よりも上昇したとき、高圧電源から低圧電源に放電するように変電機を制御する。
さらに、変電機制御装置は、高圧電源の電力変化に基づいて将来の要求電力を予測し、高圧電源の出力が不足すると予測されたとき、予め低圧電源から高圧電源に充電するように変電機を制御し、高圧電源の入力が過剰となると予測されたとき、予め高圧電源から低圧電源に放電するように変電機を制御する。
これにより、ハイブリッド自動車等における高出力且つ低容量の要求仕様に対し最適な電源仕様を提供することができる。よって、電源への高頻度な入出力による充放電ロス低減、回転機との電力入出力向上による内燃機関の熱効率向上、回転機からの入力向上による回生効率の向上効果により、システム全体でのエネルギ効率が向上する。
以下の実施形態の電源システムは、内燃機関、及び、主機としての回転機(モータジェネレータ)を動力源とするハイブリッド自動車に搭載され、回転機を駆動する回転機システムに高圧の直流電力を供給し、且つ、各種の補機負荷に低圧の直流電力を供給する電源システムである。
本発明の第1実施形態の電源システムについて、図1〜図13を参照して説明する。
最初に、電源システムの全体構成について図1を参照する。電源システム10は、高圧負荷としての回転機システム6と、低圧負荷としての補機負荷2との間に設けられる。
回転機システム6は、車両の動力源である主機としての回転機を駆動するシステムであり、典型的には、直流電力を交流電力に変換し回転機に供給するインバータが該当する。システムによっては、インバータの入力側に、更に昇圧コンバータが設けられてもよい。
補機負荷2は、電動パワーステアリング装置、パワーウインドウ装置、ブロワ、ファン等、主機以外の各種機能を担う装置である。
変電機40は、中圧部(MV)46と高圧部(HV)48との間に変圧器47が設けられている。中圧部46の電圧は、概ね24〜60Vの範囲であり、例えば48Vである。高圧部48の電圧は、60Vを超え数百Vまでの範囲であり、典型的には100Vを超える。また、補機負荷2には例えば14V程度の低圧の電圧が供給される。そのため本実施形態の変電機40は、中圧部46の電圧を降圧して補機負荷2に供給する降圧コンバータ42が併設されている。
各部における電力について、補機負荷2が入出力する電力をPo、低圧電源3が入出力する電力をPL、高圧電源5が入出力する電力をPH、変電機40が変電する目標電力をPDCtgt、回転機システム6へ供給する目標電力をPItgtというように記す。
一方、回転機の回生動作時や低圧電源3からの電力供給時に高圧電源5が充電されるときの高圧入力PHin、及び、補機負荷2の出力や高圧電源5からの電力供給により低圧電源3が充電されるときの低圧出力PLinは、0または負の値で表される(PHin≦0、PLin≦0)。
変電機制御装置70は、低圧電源3及び高圧電源5にそれぞれ対応する低圧演算装置73、高圧演算装置75、並びに、変電機40に対応する変電演算装置74を有している。
変電演算装置74は、低圧演算装置73から低圧電源3の入出力制限値PLout/PLinを取得し、高圧演算装置75から高圧電源5の入出力制限値PHout/PHinを取得する。
(I)変電機制御装置70から回転機制御装置8に対し、入出力制限値PLout/PLin、PHout/PHin、及び、補機出力Poに基づき、式(1.1)、(1.2)により算出した電源システム出力ガード値PSout、及び電源システム入力ガード値PSinを通知する。
PSin =PHin +PLin +Po ・・・(1.2)
(III)変電機制御装置70は、高圧動力の供給目標電力PItgtを回転機制御装置8から取得し、変電機40の目標出力PDCtgtを演算する。そして、演算結果に基づき低圧電源3と高圧電源5との間で電力を変換する。
図3(a)は、電源として用いられるキャパシタまたは電池の容量密度と出力密度との関係を示すラゴンプロットである。短破線領域の電気二重層キャパシタ(EDLC)やLiCは、容量密度が低く出力密度が高い。長破線領域の出力型LiBやニッケル金属水素化物電池(NiMH)は、容量密度、出力密度が中程度である。一点鎖線領域の容量型LiBは、容量密度が高く出力密度が低い。
図3(b)は、本発明が目標とする電源仕様を説明する容量と出力との関係図である。ここでは、図1における低圧電源3が容量型LiBであり、高圧電源5がLiCである例を想定して説明する。
図3(b)において、LiCの容量Ec、容量型LiBの容量Eb、及び要求容量Erの関係は、「Ec+Eb≧Er」となるように設定される。
ここで、「通常処理」とは、後述の「失陥時処理」に対し、低圧電源3及び高圧電源5がいずれも正常であるときの処理である。通常処理は、回転機システム6または補機負荷2の少なくとも一方が動作している間、所定の周期で繰り返される。本実施形態では、主に車両のアイドリング時または走行時に電源システム10から回転機システム6に効率的に電力を供給することを目的とする。
低圧電源3の入出力制限値PLout/PLinは低圧容量ELに応じて変化し、高圧電源5の入出力制限値PHout/PHinは高圧容量EHに応じて変化する。以下、出力変数の依存関係について、適宜、変数記号の後の( )内に、その変数が依存する変数を関数の引数として記載することにより表す。
S202では、図6(a)のマップを用いて、低圧容量ELと温度Tとに依存する低圧電源3の入出力制限値PLout(EL、T)/PLin(EL、T)を演算する。入力制限値PLinは、いわゆる充電許容電力Winに相当し、出力制限値PLoutは、いわゆる放電許容電力Woutに相当する。図6(a)に示す通り、EL≧ELmaxのとき、PLin=0とし、過充電を防止する。また、EL≦ELminのとき、PLout=0とし、過放電を防止する。
S402では、図6(b)のマップを用いて、高圧容量EHと温度Tとに依存する高圧電源5の入出力制限値PHout(EH、T)/PHin(EH、T)を演算する。入力制限値PHinは、いわゆる充電許容電力Winに相当し、出力制限値PHoutは、いわゆる放電許容電力Woutに相当する。図6(b)に示す通り、EH≧EHmaxのとき、PHin=0とし、過充電を防止する。また、EH≦EHminのとき、PHout=0とし、過放電を防止する。
図8において、SOC=0%に相当する低圧容量ELをEL0、SOC=100%に相当する低圧容量ELをEL100とする。また、補機最大出力の絶対値をPomax、必要持続時間をTcLとする。
ELmin_Ld=EL0 +Pomax×TcL ・・・(2.1)
ELmax_Ld=EL100−Pomax×TcL ・・・(2.2)
変電機制御装置70は、低圧容量ELが最小値ELmin_Ldを下回る場合、低圧電源3への充電を要求し、低圧容量ELが最大値ELmax_Ldを上回る場合、低圧電源3からの放電を要求する。
変電機制御装置70は、容量比Xが基準値Xrefに近づくように変電目標電力PDCtgtを決定する。
図8において、低圧容量ELが最小値ELmin_Ldを下回る領域では、低圧電源3を強制充電する。なお、容量比X=(EH/EL)に基づく図9に代えて、「EH対EL対PDreq」の三次元マップを使用してもよい。
将来の要求電力PHreqは、静的要求電力PHreq_sに進み補償項を加算した式(3)により演算される。
PHreq=PH+α×(dPH/dt)−PHout ・・・(3)
S601では、回転機制御装置8は、内燃機関の熱効率改善や回生電力等の駆動主機系からの要求が反映された高圧動力要求電力PIreqを演算する。
S602では、回転機制御装置8は、高圧動力(回転機システム6)への供給目標電力PItgtを式(4)により演算する。この演算では、高圧動力要求電力PIreqと低圧電源要求電力PLreqとの和に対し、正側の上限を電源システム出力ガード値PSoutで制限し、負側の下限を電源システム入力ガード値PSinで制限する。
以上で通常処理の説明を終了する。
図11に示すように、失陥時処理では、低圧電源3及び高圧電源5について、それぞれ内部抵抗判定(S100、S300)を行った後、変電機40が正常か否か(S501)に応じて、以下の処理を場合分けする。
低圧内部抵抗RLが下限値RLminから上限値RLmaxまでの範囲内であれば(S103:YES、S104:YES)、「A」のルートでメインフローチャートに合流し、通常処理のS201〜S202を実行する。
低圧内部抵抗RLが上限値RLmaxを上回っていれば(S104:NO)、低圧電源3が断線または劣化していると判定し、S106に移行する。S106では、低圧入出力制限値を「PLin=0、PLout=0」に設定し、「B」のルートでメインフローチャートに合流する。
高圧内部抵抗RHが下限値RHminから上限値RHmaxまでの範囲内であれば(S303:YES、S304:YES)、「C」のルートでメインフローチャートに合流し、通常処理のS401〜S402を実行する。
高圧内部抵抗RHが上限値RHmaxを上回っていれば(S304:NO)、高圧電源5が断線または劣化していると判定し、S306に移行する。S306では、高圧入出力制限値を「PHin=0、PHout=0」に設定し、「D」のルートでメインフローチャートに合流する。
変電機40が正常の場合(S501:YES)には、通常処理のS502〜S505、S601〜S602、S700を実施した後、回路SW動作(S900)を実行する。
変電機40が異常の場合(S501:NO)には、運転者に警告を表示し、高圧電源5の許容範囲内で回転機システム6に電力供給しつつ、低圧電源3は、残容量の限り補機負荷2に電力供給する。
さらに、「変電目標電力PDCtgt=0」、「高圧電源要求電力PHreq=0」に設定する(S509、S510)。その後、通常処理のS601〜S602以降のステップを実行する。
(1)本実施形態の電源システム10は、高圧負荷としての回転機システム6に大電力を供給可能な高圧電源5と、補機負荷2に電力を供給する低圧電源3とを双方向に変圧可能な変電機40で接続する。
変電機制御装置70は、低圧電源3または高圧電源5の容量または入出力が適正範囲から外れたとき、他方の電源により補完するように変電機40を制御するため、各電源の長所を生かしつつ、短所を補うことができる。
これにより、電源仕様を過剰に大きくすることなく、回転機システム6(高圧負荷)の要求特性に応じて、出力と容量とのバランスを適正化することができる。よって、小型で低コストの電源システムを提供することができる。
このように、変電機制御装置70と回転機制御装置8とが相互に情報を交換するため、特に車両のアイドリング時または走行時において、各電源の能力を適切に反映した効率的な電力供給制御を行うことができる。
また、変電機制御装置70は、高圧電源5の容量EHまたは電圧VHが所定値よりも上昇したとき、高圧電源5から低圧電源3に放電するように変電機40を制御する。
これにより、高圧電力要求に対し過放電または過充電となることを防止し、高圧電源5の容量EHを適正に維持することができる。
図14に示すように、本発明の第2実施形態の電源システム15は、第1実施形態とは逆に、高圧電源として容量型電源55を用い、低圧電源として出力型電源35を用いる。
変電機制御装置70が、低圧電源35または高圧電源55の容量または入出力が適正範囲から外れたとき、他方の電源により補完するように変電機40を制御する点、低圧電源35と高圧電源55との出力能力の合計値を回転機制御装置8に通知する点は、第1実施形態と同様である。この構成でも、回転機システム6(高圧負荷)の要求特性に応じて、出力と容量とのバランスを適正化することができる。
出力型電源及び容量型電源の具体的な選定は上記実施形態に例示したものに限らない。高圧負荷(回転機システム)の要求仕様に応じて、適当な電源を選択すればよい。
また、図1、図14の構成では、変電機40の一部に降圧コンバータ42を設け、中圧部46の電圧を降圧して補機負荷2に供給している。その他の実施形態では、変電機40に降圧コンバータ42を設けず、低圧電力PLをそのまま補機負荷2に出力してもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
2 ・・・補機負荷、
3、35・・・低圧電源、
40・・・変電機、
5、55・・・高圧電源、
6 ・・・回転機システム、
70・・・変電機制御装置、
8 ・・・回転機制御装置。
Claims (4)
- 出力型電源で構成され、主機としての回転機を駆動する回転機システム(6)に直流電力を供給可能な高圧電源(5)と、
容量型電源で構成され、前記主機以外の補機負荷(2)に直流電力を供給可能な低圧電源(3)と、
前記高圧電源と前記低圧電源とを双方向に変圧可能に接続する変電機(40)と、
前記低圧電源の容量が適正範囲から外れたとき、前記高圧電源により補完し、前記高圧電源の容量または入出力が適正範囲から外れたとき、前記低圧電源により補完するように前記変電機を制御し、且つ、前記回転機システムを制御する回転機制御装置(8)に対し、前記高圧電源及び前記低圧電源の入出力能力の合計値を通知する変電機制御装置(70)と、
を備え、
前記変電機制御装置は、
前記回転機の力行動作により前記高圧電源の容量または電圧が所定値よりも低下したとき、前記低圧電源から前記高圧電源に充電するように前記変電機を制御し、
前記回転機の回生動作により前記高圧電源の容量または電圧が所定値よりも上昇したとき、前記高圧電源から前記低圧電源に放電するように前記変電機を制御し、
さらに、前記変電機制御装置は、前記高圧電源の電力変化に基づいて将来の要求電力を予測し、
前記高圧電源の出力が不足すると予測されたとき、予め前記低圧電源から前記高圧電源に充電するように前記変電機を制御し、
前記高圧電源の入力が過剰となると予測されたとき、予め前記高圧電源から前記低圧電源に放電するように前記変電機を制御することを特徴とする電源システム。 - 前記変電機制御装置は、前記低圧電源の容量が所定値を下回っているとき、前記回転機制御装置に対し前記回転機による発電を要求することを特徴とする請求項1に記載の電源システム。
- 前記変電機制御装置は、前記低圧電源または前記高圧電源のいずれか一方が失陥したとき、他方の電源が入出力可能な電力を前記回転機制御装置に対して通知することを特徴とする請求項1または2に記載の電源システム。
- 前記変電機制御装置は、前記回転機制御装置からの電力要求があり、且つ、前記高圧電源が失陥したとき、前記低圧電源から前記回転機システムに電力を供給するように前記変電機を制御することを特徴とする請求項3に記載の電源システム。
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