WO2007055266A1 - 電源システム - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a power supply system that converts kinetic energy into electrical energy and stores it when braking a vehicle.
- FIG. An example of such a power supply system is shown in FIG.
- an example will be described only for the minimum configuration and operation for recovering and reusing braking energy.
- a vehicle equipped with such a power supply system uses some load 5 (for example, an engine control circuit essential for moving the vehicle) mounted on the vehicle at the same time even when braking.
- step-up / step-down circuit 3 must be designed so that the maximum current that can be consumed by the load 5 can flow.
- Patent Document 1 Japanese Patent No. 2833087
- the present invention provides a power supply system having a regeneration function that can be reduced in size by suppressing heat generation of circuit components of a power converter.
- the limit value of the output current of the power change when the voltage across the capacitor charged by the DC generator is higher than the voltage across the battery is the first current value
- the limit value of the output current when the voltage and the voltage across the battery are approximately equal is the second current value
- the first current value is smaller than the second current value
- heat generation is suppressed by lowering the limit value of the output current when the efficiency of the power converter is low, so that heat dissipation components such as a heat sink can be miniaturized. Therefore, a power supply system having a small regenerative function as a whole can be configured.
- FIG. 1 is a block circuit diagram of a power supply system according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 2A is a correlation diagram of efficiency and duty ratio according to capacitor voltage Vc of the power supply system according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 2B is a switching characteristic diagram of output current limit value Ilim of the power converter due to capacitor voltage Vc of the power supply system in Embodiment 1 of the present invention, and a correlation diagram of maximum loss corresponding to Ilim.
- FIG. 3A is a time characteristic diagram of Vc during braking of the power supply system according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 3B is a time-dependent characteristic diagram of current limit value Ilim and load current Iload during braking of the power supply system according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 4A is a time characteristic diagram of Vc during braking of the power supply system according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 4B is a time characteristic diagram of current limit value Ilim and load current Iload during braking of the power supply system according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 5 is a block circuit diagram of a power supply system according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 6A is a time-dependent change diagram of the vehicle speed V of the power supply system according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 6B is a time-dependent change diagram of load current consumption Iload of the power supply system according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 6C is a time-dependent change diagram of the generated current Ig of the power supply system according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 6D is a time-dependent change diagram of capacitor voltage Vc of the power supply system according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 6E is a time-dependent change diagram of battery voltage Vb of the power supply system according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 6F is a time-dependent change diagram of current limit value Ilim of the power supply system according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 7 is a block circuit diagram of a power supply system according to Embodiment 3 of the present invention.
- FIG. 8 is a block circuit diagram of a conventional power supply system.
- FIG. 1 is a block circuit diagram of a power supply system according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 2A is a correlation diagram between the efficiency due to the capacitor voltage Vc and the time ratio of the power supply system according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 2B is a switching characteristic diagram of output current limit value Ilim of the power converter based on capacitor voltage Vc of the power supply system according to Embodiment 1 of the present invention, and a correlation diagram of maximum loss corresponding to I lim.
- FIG. 3A is a time characteristic diagram of Vc during braking of the power supply system according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 3B is a time-dependent characteristic diagram of current limit value Ilim and load current Iload during braking of the power supply system according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 4A is a time characteristic diagram of Vc during braking of the power supply system according to Embodiment 1 of the present invention.
- FIG. 4B is a time-dependent characteristic diagram of the current limit value Ilim and the load current Iload during braking of the power supply system according to Embodiment 1 of the present invention.
- the configuration of the power supply system according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
- the first embodiment in order to make the configuration and operation easy, only the part that recovers the braking energy will be described.
- the generator used in a normal vehicle without a regenerative function is described. Details of control-related parts (parts common to the first embodiment) are omitted.
- the internal combustion engine 10 generates mechanical energy by burning fossil fuel or the like, and is, for example, an engine.
- a DC generator 11 is mechanically connected to the internal combustion engine 10.
- DC generator 11 is a machine Mechanical energy and braking energy are converted into electrical energy.
- a vehicle drive wheel 12 is mechanically connected to the DC generator 11. Accordingly, since the drive wheel 12 is mechanically connected to the internal combustion engine 10 via the DC generator 11, the mechanic energy of the internal combustion engine 10 is transmitted to the drive wheel 12 to drive the vehicle. Let me do it.
- the electrical energy generated in the DC generator 11 is output from the positive terminal 13 and the negative terminal 14.
- a capacitor 15 is connected in parallel to the positive terminal 13 and the negative terminal 14.
- the capacitor 15 is composed of a large capacity and capable of rapid charge / discharge, such as a plurality of electric double layer capacitors.
- the capacitor 15 mainly plays a role of recovering braking energy generated by the DC generator 11. This is due to the following reason.
- the braking energy When trying to collect braking energy with this normal vehicle, the braking energy generally has a characteristic that a large amount of electric power is generated in a short time. Discarded as heat.
- the capacitor 15 since the capacitor 15 has a large capacity and can be rapidly charged and discharged as described above, the capacitor 15 is configured to store electric power generated by braking energy as in the first embodiment. Therefore, the role of the capacitor 15 is mainly the recovery of electric power by braking energy.
- the DC generator 11 is connected to the input side of the power change in parallel with the capacitor 15.
- the power converter 16 can control the input voltage (the output of the DC generator 11 and the capacitor 15) to an arbitrary constant output voltage or constant output current.
- a DCDC converter is used. This makes it possible to perform charging control of the battery 17 connected to the output side of the power change. The detailed configuration of the power conversion 16 will be described later.
- the notch 17 is connected to a load 18 that is also in-vehicle electrical component and the like in parallel with the output of the power transformation 16. It has been continued. Electric power is supplied to the load 18 from the DC generator 11, the capacitor 15, and the battery 17 in accordance with the driving state of the vehicle and the usage state of the load 18.
- the power converter 16 is a step-down converter that outputs by reducing the voltage on the input side.
- the reason for the step-down converter is as follows.
- the operating range of power converter 16 is equal to or higher than battery voltage Vb, which is its output voltage. Therefore, voltage Vc of capacitor 15 connected to the input side of power converter 16 is capacitor 15. When the remaining power of power that can be supplied is almost equal to Vb.
- the voltage range of the capacitor 15 must be not less than Vb and not more than the maximum applied voltage Vp. At this time, if Vp is set to about twice as large as Vb, for example, about 75% of the storage capacity of the capacitor 15 can be used, so that a practically efficient configuration is obtained.
- Vp is set to about twice as large as Vb, for example, about 75% of the storage capacity of the capacitor 15 can be used, so that a practically efficient configuration is obtained.
- a step-up / step-down converter that includes the function of a step-down converter may be used, but in this case, the circuit becomes complicated and large.
- step-down converter As described above simplifies the circuit and contributes to miniaturization.
- an input voltage detector 19 for measuring an input voltage is connected to the input side of the power converter 16.
- the voltage Vc across the capacitor 15 is obtained.
- a switching element 20 is connected in series to the positive electrode line 13a on the input side. This allows direct control of the output voltage and current.
- a diode 21 is connected between the output of the switching element 20 and the negative electrode line 13b.
- the inductance element 22 is connected in series with the switching element 20 on the positive electrode line 13a side (force sword side) of the diode 21 !.
- An output current detector 23 is connected in series to the inductance element 22, and an output voltage detector 24 is connected between the other end and the negative electrode line 13b.
- the output current detector 23 controls the current current value in order to perform feedback control so that the current limit value Ilim of the load 18 described later does not exceed the first current value Imean or the second current value Imax. Looking for. [0038] Both ends of the output voltage detector 24 serve as power fluctuation outputs, to which a battery 17 and a load 18 are connected. Therefore, the output voltage detector 24 obtains the voltage Vb across the battery 17.
- the input voltage detector 19, the switching element 20, the output current detector 23, and the output voltage detector 24 are connected to the control unit 25.
- the control unit 25 controls the switching element 20 by PWM control so that the output power of the input voltage detector 19, the output current detector 23, and the output voltage detector 24 becomes a predetermined output voltage or output current. Yes.
- the output from 1 is also stored in the capacitor 15, and its voltage Vc is initially charged so that it is equal to or higher than the notch voltage Vb, which is the input range in which power fluctuation can be controlled.
- Fig. 2A shows the capacitor voltage Vc, which is the input voltage of power change 16, on the horizontal axis, the efficiency of power converter 16 on the left vertical axis, and the time ratio (on / off ratio) of PWM controlled switching element 20 on the right. This is shown on the vertical axis.
- the power converter 16 is a step-down converter, so there is almost no need for step-down operation, so the switching element 20 is always on (time ratio 100%). It is controlled by the control unit 25. As a result, the switching element 20, which is the largest heat generating component, is always in a conductive state, so there is almost no heat generation and the efficiency of the power change 6 is maximized.
- FIG. 2B shows the maximum loss of the power variation 16 determined by the output current limit value Ilim with respect to Vc and the maximum output power according to Ilim.
- the horizontal axis represents Vc
- the left vertical axis represents Ilim
- the right vertical axis represents maximum loss.
- the output current limit value Ilim is designed to be the maximum current value Imax that can be consumed by the load 5.
- Ilim remains at Imax regardless of the value of Vc.
- Ilim is set to the second current value Imax (the same as the conventional case).
- Ilim is set to the first current value Imean (current limit value smaller than Imax).
- the control unit 25 performs switching control of Ilim so that the output current limit value Ilim when Vc> Vb is Imean and Ilim is Imax when Vc ⁇ Vb.
- Ilim force max switches to Imean instantaneously, so when Vc ⁇ Vb, Imax indicated by a black circle is applied, and Imean indicated by a white circle is not applied.
- the meanings of black circles and white circles on the left vertical axis in Fig. 2B are defined as black circle points applied to Vc ⁇ Vb and white circle points not applied.
- the first current value Imean was set to the average current consumed by the load 18, and the second current value Imax was set to the maximum current consumed by the load 18 as in the prior art.
- Vc> Vb the current limit value is the first current value Imean, so there is no problem if the load 18 is less than the average current consumption.
- the power to supply the shortage from the battery 17 is controlled to temporarily set Ilim to Imax.
- FIGS. 3A and 3B show the case where the current shortage is supplied from the battery 17, and FIGS. 4A and 4B show the case where the shortage is controlled so that Ilim is temporarily set to Imax.
- Fig. 3A shows the change over time of the capacitor voltage Vc when the running vehicle is braked twice
- Fig. 3B shows the switching of the output current limit value Ilim and the required current Iload of the load 18. Examples of changes over time are shown below.
- Vc across the capacitor 15 is initially charged to Vc ⁇ Vb above the battery voltage Vb, which is the controllable input range of the power converter 16, so at time tO-tl in Fig. 3A Vc ⁇ Vb.
- Ilim is set to the second current value Imax! (See tO to tl in Fig. 3B). Accordingly, the switching element 20 is in a conductive state, and no heat is generated due to repeated on / off.
- the current Iload consumed by the load 18 at this time is supplied directly from the DC generator 11 or from the battery 17. Note that when current flows directly from the DC generator 11 to the load 18, heat generation does not generate heat, so the maximum current required by the load 18 (second The current can be up to Imax.
- the shortage (indicated by a double-headed arrow in FIG. 3B) is supplied from the battery 17. While there is power in the capacitor 15 (until t 10), power is supplied from the capacitor 15 and the battery 17 to the load 18.
- the control according to the first embodiment allows the current to be supplied with almost no heat generated by the heat-generating component of the power change, regardless of the current consumed by the load 18. As a result, it is possible to reduce the size of the heat dissipating parts, and the power supply system as a whole can be downsized.
- FIG. 5 is a block circuit diagram of the power supply system according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 6A is a time-dependent change diagram of the vehicle speed V of the power supply system according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 6B is a time-dependent change diagram of the load current consumption Iload of the power supply system according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 6C is a time-dependent change diagram of the generated current Ig of the power supply system according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 6D is a time-dependent change figure of the capacitor voltage Vc of the power supply system in Embodiment 2 of this invention.
- FIG. 6A is a time-dependent change diagram of the vehicle speed V of the power supply system according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 6B is a time-dependent change diagram of the load current consumption Iload of the power supply system according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 6C is
- FIG. 6E is a time-dependent change diagram of the battery voltage Vb of the power supply system according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 6F is a time-dependent change diagram of the current limit value Ilim of the power supply system according to Embodiment 2 of the present invention.
- FIG. 5 the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
- the description has been made with a focus on the portion for recovering the braking energy generated during braking of the vehicle.
- the remaining power of the capacitor 15 and the battery 17 is detected, so that the power supply system such as the charging control of the battery 17 and the power generation control of the DC generator 11 is performed. Configuration that incorporates overall control, Details of the operation will be described.
- the configuration added from the first embodiment is as follows.
- a battery remaining amount detector 26 is connected in series with the battery 17.
- the battery level detector 26 converts the voltage of the battery 17 and the flowing current, its accumulated time, etc. into the remaining level.
- a detector group for measuring the measurement parameters and a calculation unit are provided as a battery level detector. 26 Built in.
- a capacitor remaining amount detector 27 is connected to the capacitor 15 in series.
- the configuration of the remaining capacitor detector 27 is the same as that of the remaining battery detector 26.
- the remaining amount output of the battery remaining amount detector 26 is connected to the control unit 25 in the power conversion 16 via the charge control circuit 28. Then, the charging control circuit 28 controls the charging of the battery 17 by feedback control of the power change 16 according to the remaining battery level.
- the respective remaining amount outputs of the battery remaining amount detector 26 and the capacitor remaining amount detector 27 are connected to the DC generator 11 via the power generation control circuit 29. Then, depending on the material of the capacitor 15 and the battery 17, the battery 17 is charged by charging the power from the capacitor 15 to the battery 17 or by increasing the output of the DC generator 11 by the power generation control circuit 29! It is controlled so that
- the characteristic part of the operation in the second embodiment is that when Vc> Vb, the output current limit value Ilim of the power converter 16 is the first current value Imean, and when Vc ⁇ Vb, Ilim is In addition to this, the basic current is to switch to the second current value Imax. In addition, only when the remaining amount of the battery 17 falls below the default value and the remaining amount recovers to the standard remaining amount, Vc ⁇ The point is that Ilim is switched to Imax while capacitor 15 is discharged to Vb. As a result, when the remaining amount of the notch 17 decreases, the battery 17 can be quickly made the standard remaining amount while suppressing heat generation by increasing Ilim and allowing a large current to flow through the power fluctuation.
- the remaining amount of battery 17 is larger than the predetermined value, it is supplied from battery 17 even when current Iload consumed by load 18 is larger than Imean when the vehicle is driven. Be controlled. Also, the braking energy is recovered by the DC generator 11, and the capacitor Charge to 15.
- the vehicle runs at time tO, but the internal combustion engine 10 is driven and is in an idling state.
- the vehicle speed V in Fig. 6A is zero.
- the load current consumption Iload in Fig. 6B is small but constant.
- This Iload is covered by the generated current Ig of the DC generator 11 from FIG. 6C. Although this may be supplied from the battery 17, in the second embodiment, a case where 11 DC power generators are basically supplied will be described below.
- FIG. 6D shows a case where, for example, Vc ⁇ Vb is already at the next start-up when the vehicle use interruption time is short. Therefore, the charging operation is omitted.
- the battery level Vrem is detected by the battery level detector 26.
- Vrem is the standard remaining capacity at time tO. Since the current limit value Ilim of the power converter 16 is Vc ⁇ Vb from FIG. 6D, it is set to the second current value Imax as shown in FIG. 6F.
- the vehicle starts to travel from the above state and reaches a certain speed as shown in FIG. 6A. And driving at that speed (time to ⁇ ti).
- the mechanical energy of the internal combustion engine 10 is transmitted to the drive wheels 12 so that the vehicle travels as shown in FIG. 6A. Therefore, there is no braking, and the Iload of the load 18 is unchanged, so the Ig of the DC generator 11 is also unchanged (see FIGS. 6B and C). Since no recovery of braking energy to capacitor 15 occurs, Vc ⁇ Vb remains (see Fig. 6D). Ilim remains at Imax (see Figure 6F). Also, since Ig of DC generator 11 is supplied to load 18 as Iload, Vrem is unchanged (see Fig. 6E).
- Vc changes from increasing (charging) to decreasing (discharging) at t2.
- Vc changes from increasing (charging) to decreasing (discharging) at t2.
- Control is performed to stop the power generation by the DC generator 11 by obtaining the Iload of the load 18 from the capacitor 15.
- the power generation control circuit 29 reads the output of the remaining capacitor detector 27 and the output of the remaining battery detector 26. Currently, both have sufficient remaining capacity, and it is determined that the capacitor 15 can be supplied from the battery 17 to the load 18 even when power generation is stopped. As a result, the power generation of the DC generator 11 is stopped.
- Vc of the capacitor 15 finally becomes substantially equal to Vb (see FIG. 6D). This stops the supply of current to the load 18 and the capacitor 15 so that Vc does not become less than Vb.
- Iload remains large (see FIG. 6B)
- the current that is no longer supplied from the capacitor 15 is controlled to drive the DC generator 11 according to the instruction of the power generation control circuit 29 and cover the generated current Ig.
- Vc ⁇ Vb at t4 from Fig. 6D Ilim of power converter 16 is switched to Imax. Therefore, the Ig of the DC generator 11 hardly generates heat because the switching element 20 flows in a conductive state.
- the load is also supplied with the Ig force of the DC generator 11. Therefore, Vrem is constant (see Fig. 6C, E). Note that at this time, the generated current Ig of the DC generator 11 may be made larger than Iload, and the battery 17 may be charged with the increased amount. .
- the force at time t4 is also Vc ⁇ Vb, and the output of the power variable ⁇ 16 is limited to Imax or less, so the switching element 20 becomes conductive and heat generation is suppressed.
- the charging control of the battery 17 obtains Vrem from the remaining battery detector 26 and transmits the information to the charging control circuit 28, thereby transmitting the control information necessary for charging to the control unit 25 of the power converter 16. To do.
- the control unit 25 charges the battery 17 by controlling the switching element 20 so as to satisfy the condition for charging the battery 17.
- Iload is supplied by Ig! Since Imean> Iload, even if Ilim is reduced to Imean, the current flowing through the power change 16 is small and little heat is generated. In addition, at t6, the braking energy is supplied to the load 18 while charging the capacitor 15, so the supply from the battery 17 is unnecessary, and the Vrem continues to maintain the recovered standard remaining amount (see Fig. 6E). See).
- Vc reaches the maximum value Vp (capacitor 15 is fully charged) even though braking is continued (see FIG. 6A) (see FIG. 6D).
- the power generation control circuit 29 reduces the amount of power generated by the braking energy and controls the DC generator 11 so that the voltage of the capacitor 15 is kept at a constant value Vp.
- Ig of DC generator 11 becomes 0, but braking continues.
- the rate of deceleration by the DC generator 11 decreases until the time when braking ends, and the rate of deceleration by a general brake operation increases.
- Vrem finally reaches the lower limit remaining amount (see FIG. 6E).
- the load 18 continues to consume a large current Iload (see Fig. 6B), current supply will be insufficient. Therefore, the information that Vrem has reached the lower limit remaining amount is transmitted to the power generation control circuit 29 via the battery remaining amount detector 26.
- the power generation control circuit 29 controls the DC generator 11 so as to generate the current that cannot be supplied from the battery 17.
- Ig is generated from tl2 as shown in FIG. 6C. This generated power is supplied to the load 18 together with the discharge power of the capacitor 15 so that the Vrem does not decrease further (see Fig. 6E) to prevent the notch 17 from deteriorating.
- Ilim of power conversion 16 is set to Imax even though Vc> Vb.
- the current temporarily flows (tl2 to tl3) up to a current force 3 ⁇ 4nax of the force capacitor 15 and is supplied to the load 18.
- the maximum loss increases as shown by the thick dashed line in Fig. 2B, which increases heat generation.
- the decrease rate (slope) of Vc increases. Therefore, even if heat is generated at tl2 to tl3, the amount of generated heat is small. This is because, as shown by the thick broken line in Figure 2B, the maximum loss decreases and heat generation decreases as Vc approaches Vb.
- the power generation control circuit 29 reads the output of the battery remaining amount detector 26, and controls the DC generator 11 so as not to generate the braking energy if Vrem is below the lower limit.
- Ig of DC generator 11 does not change even when braking is applied with tl4, and the power generation up to that point is maintained! / ⁇ (see Fig. 6C).
- the power generation at this time is in the process of braking, it is performed by the braking energy that is not in the mechanical energy of the internal combustion engine 10. Therefore, since Ig is supplied to the load 18 when the switching element 20 is in a conductive state (the state with the least loss! /), The power conversion 16 hardly generates heat.
- the load 18 continues to consume a large current, so that the battery 17 is not charged and the lower limit remaining amount is maintained (see FIG. 6E).
- the power supply system according to the second embodiment operates based on the control as described above.
- the power converter 16 reduces the output current limit value Ilim to the second current value Imax or less.
- the battery 17 may be charged with the power of the capacitor 15 via the control unit 25 of the power conversion 16 by the charge control circuit 28. In this case, if the voltage of the capacitor 15 decreases and becomes almost equal to the voltage of the battery 17 before the charging is completed, the output of the DC generator 11 is increased by the power generation control circuit 29, so that the battery 17 Can be controlled to charge up to the standard battery level.
- the power converter 16 sets the output current limit value Ilim to the second value only while the remaining amount Vrem of the notch 17 falls below the predetermined value (lower limit remaining amount) and Vrem recovers to the standard remaining amount. Limit the current to Imax or less (dotted line B in Figure 6). As a result, the power of the capacitor 15 is quickly discharged, so that a large current can flow under the condition of Vc ⁇ Vb that minimizes the loss of power variation. As a result, heat generation can be suppressed even when a large current is supplied when the battery 17 is charged or a large current is supplied to the load 18.
- FIG. 7 is a block circuit diagram of the power supply system according to Embodiment 3 of the present invention. Since the third embodiment has substantially the same configuration as that of the second embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted.
- the characteristic feature of the third embodiment is that a temperature sensor 30 is provided in the vicinity of the power change and its output is connected to the control unit 25 as shown in FIG. With this configuration, the operation is changed as follows according to the output of the temperature sensor 30.
- the power supply system of the present invention can reduce the size of the heat dissipation component by suppressing the heat generation of the power converter, and can reduce the size of the entire power supply system having a regeneration function. Useful as such.
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Abstract
キャパシタ(15)の両端電圧がバッテリ(17)の両端電圧より高い時の電力変換器(16)の出力電流の制限値を第1の電流値とし、ほぼ等しい時の制限値を第2の電流値とした時、第1の電流値を第2の電流値より小さくする。これによりキャパシタ(15)の両端電圧とバッテリ(17)の両端電圧がほぼ等しい時は発熱がほとんどない。出力電流の制限値を負荷(18)が消費する最大電流とし、キャパシタ(15)の両端電圧がバッテリ(17)の両端電圧より高い時は、出力電流の制限値を第2の電流値より小さくすることで発熱が抑制され放熱部品を小型化でき、全体に小型の電源システムが提供できる。
Description
明 細 書
電源システム
技術分野
[0001] 本発明は、車両の制動時に運動エネルギーを電気エネルギーに変換、蓄積する電 源システムに関する。
背景技術
[0002] 従来、車両の燃費向上等の目的で、制動時の運動エネルギー(以下、「制動エネ ルギ一」という。)を発電機により電気エネルギーに変換し、得られた電気エネルギー を蓄積することにより、制動エネルギーを回収、再利用する回生機能を有する電源シ ステムが提案されて 、る(特許文献 1)。
[0003] このような電源システムの一例を図 8に示す。なお、ここでは制動エネルギーを回収 、再利用するための最低限の構成、動作に限ってその一例を説明する。
[0004] 車両制動により発電機 1が制動エネルギーを電気工ネルギ一に変換すると、発電 機 1に接続されたコンデンサ 2が充電される。充電された電力は昇降圧回路 3を介し てノ ッテリ 4に充電される。
[0005] なお、発電機 1の電気エネルギーをー且コンデンサ 2に蓄えてからバッテリ 4に充電 しているが、これはバッテリ 4が急速充電に対応できないためである。従って、急速充 放電が可能なコンデンサ 2に蓄えてから、昇降圧回路 3によりバッテリ 4の充電速度に 合わせて充電する構成が必要となる。
[0006] バッテリ 4に充電された電力は負荷 5に供給、消費される。
[0007] このような構成、動作により、本来制動時に熱として捨てていた制動エネルギーを 回収できるので、車両全体のエネルギー効率が高まり、燃費向上ゃ低排ガス化を実 現できる。このような電源システムを搭載した車両は制動時であっても、同時に車載さ れている何らかの負荷 5 (例えば車両を動かすために必須のエンジン制御回路等)を 使用している。
[0008] この場合、使用している負荷 5の消費電流が小さい場合は、発電機 1で発電した電 力をコンデンサ 3に充電しつつ負荷 5にも供給できるが、多数の負荷 5を同時に使用
している場合は、全体の消費電流が極めて大きくなる。そのため、発電機 1で発電し た電力は全て直接負荷 5に供給される。
[0009] 従って、昇降圧回路 3は負荷 5が消費し得る最大の電流を流すことができるように設 計されなければならない。
[0010] これにより、最大電流が流れると昇降圧回路 3に内蔵された回路部品(特に後述す るスイッチング素子やインダクタンス素子)の発熱が大きくなる。よって、それを有効に 放熱するための大型ヒートシンク等の放熱部品が必要になるので昇降圧回路 3が大 きくなり、ひいては電源システム全体が大型化してしまう。
特許文献 1:特許第 2833087号公報
発明の開示
[0011] 本発明は、電力変換器の回路部品の発熱を抑制することで小型化が可能な回生 機能を有する電源システムを提供する。
[0012] 本発明の電源システムは、直流発電機により充電されたキャパシタの両端電圧が バッテリの両端電圧より高い時の電力変 の出力電流の制限値を第 1の電流値と し、キャパシタの両端電圧とバッテリの両端電圧がほぼ等しい時の出力電流の制限 値を第 2の電流値とした時、第 1の電流値を第 2の電流値より小さくしたものである。
[0013] 本構成によって、キャパシタの両端電圧とバッテリの両端電圧がほぼ等しく電力変 換器の効率が高い時は発熱がほとんどないので、出力電流の制限値 (第 2の電流値 )を負荷が消費する最大電流とし、キャパシタの両端電圧力 Sバッテリの両端電圧より 高く電力変換器の効率が低い時は、出力電流の制限値 (第 1の電流値)を前記第 2 の電流値より小さくすることで発熱が抑制可能となる。
[0014] 本発明の電源システムによれば電力変換器の効率が低い時に出力電流の制限値 を下げることで発熱が抑制されるので、ヒートシンク等の放熱部品が小型化できる。よ つて、全体として小型な回生機能を有する電源システムが構成できる。
図面の簡単な説明
[0015] [図 1]図 1は本発明の実施の形態 1における電源システムのブロック回路図である。
[図 2A]図 2Aは本発明の実施の形態 1における電源システムのキャパシタ電圧 Vcに よる効率、および時比率の相関図である。
[図 2B]図 2Bは本発明の実施の形態 1における電源システムのキャパシタ電圧 Vcに よる電力変換器の出力電流制限値 Ilimの切替特性図、および Ilimに対応した最大 損失の相関図である。
[図 3A]図 3Aは本発明の実施の形態 1における電源システムの制動時の Vcの経時 特性図である。
[図 3B]図 3Bは本発明の実施の形態 1における電源システムの制動時の電流制限値 Ilimと負荷電流 Iloadの経時特性図である。
[図 4A]図 4Aは本発明の実施の形態 1における電源システムの制動時の Vcの経時 特性図である。
[図 4B]図 4Bは本発明の実施の形態 1における電源システムの制動時の電流制限値 Ilimと負荷電流 Iloadの経時特性図である。
[図 5]図 5は本発明の実施の形態 2における電源システムのブロック回路図である。
[図 6A]図 6Aは本発明の実施の形態 2における電源システムの車速 Vの経時変化図 である。
[図 6B]図 6Bは本発明の実施の形態 2における電源システムの負荷消費電流 Iload の経時変化図である。
[図 6C]図 6Cは本発明の実施の形態 2における電源システムの発電電流 Igの経時変 化図である。
[図 6D]図 6Dは本発明の実施の形態 2における電源システムのキャパシタ電圧 Vcの 経時変化図である。
[図 6E]図 6Eは本発明の実施の形態 2における電源システムのバッテリ電圧 Vbの経 時変化図である。
[図 6F]図 6Fは本発明の実施の形態 2における電源システムの電流制限値 Ilimの経 時変化図である。
[図 7]図 7は本発明の実施の形態 3における電源システムのブロック回路図である。
[図 8]図 8は従来の電源システムのブロック回路図である。
符号の説明
10 内燃機関
11 直流発電機
15 キャパシタ
16 電力変換器
17 バッテリ
18 負荷
26 ノ ッテリ残量検出器
30 温度センサ
発明を実施するための最良の形態
[0017] 以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明す る。
[0018] (実施の形態 1)
図 1は本発明の実施の形態 1における電源システムのブロック回路図である。図 2A は本発明の実施の形態 1における電源システムのキャパシタ電圧 Vcによる効率、お よび時比率の相関図である。図 2Bは本発明の実施の形態 1における電源システムの キャパシタ電圧 Vcによる電力変換器の出力電流制限値 Ilimの切替特性図、および I limに対応した最大損失の相関図である。図 3 Aは本発明の実施の形態 1における電 源システムの制動時の Vcの経時特性図である。図 3Bは本発明の実施の形態 1にお ける電源システムの制動時の電流制限値 Ilimと負荷電流 Iloadの経時特性図である 。図 4Aは本発明の実施の形態 1における電源システムの制動時の Vcの経時特性図 である。図 4Bは本発明の実施の形態 1における電源システムの制動時の電流制限 値 Ilimと負荷電流 Iloadの経時特性図である。
[0019] まず、図 1を用いて本実施の形態 1の電源システムの構成を説明する。なお、本実 施の形態 1では構成、動作をわ力りやすくするために、制動エネルギーを回収する部 分に限って説明し、例えば回生機能のない通常の車両で使用されている発電機の 制御に関する部分 (本実施の形態 1と共通の部分)の詳細等は省略する。
[0020] 内燃機関 10は化石燃料などを燃焼させることにより、機械エネルギーを発生するも ので、例えばエンジンである。
[0021] 内燃機関 10には直流発電機 11が機械的に接続されている。直流発電機 11は機
械エネルギーや制動エネルギーを電気工ネルギ一に変換する。直流発電機 11には 車両の駆動輪 12が機械的に接続されている。従って、駆動輪 12は直流発電機 11を 介して内燃機関 10と機械的に接続されることになるので、内燃機関 10の機械工ネル ギ一が駆動輪 12に伝達されることにより車両を走行させて 、る。
[0022] 直流発電機 11で発生した電気エネルギーは、正極端子 13と負極端子 14から出力 される。正極端子 13と負極端子 14には、まずそれらに並列にキャパシタ 15が接続さ れている。キャパシタ 15は、例えば複数の電気二重層キャパシタのように大容量かつ 急速充放電が可能なもので構成されて 、る。
[0023] キャパシタ 15は直流発電機 11で発電された制動エネルギーを主に回収する役割 を担う。これは、以下の理由による。
[0024] キャパシタ 15を搭載していない通常の車両の場合、内燃機関 10の機械工ネルギ 一のみ力 直流発電機 11で発電しているので、その電力は後述するバッテリの残量 を一定の値にするように充電する条件に合わせて直流発電機 11の発電量を制御し ている。そのため、キャパシタ 15が介在しなくても充電が可能である力 キャパシタ 1 5に比べてバッテリに充電されるまでの時間が力かる。
[0025] この通常車両で制動エネルギーを回収しょうとした場合、制動エネルギーは一般に 短時間の間に大電力が発生する特徴を有するため、バッテリへの充電が追いつかず 、結局制動エネルギーの大部分は熱として捨てられる。
[0026] そこで、キャパシタ 15は上述したように大容量で急速充放電が可能なため、本実施 の形態 1のようにキャパシタ 15でー且制動エネルギーによる電力を蓄えるようにして いる。従って、キャパシタ 15の役割は制動エネルギーによる電力の回収が主となるこ とになる。
[0027] 直流発電機 11にはキャパシタ 15と並列に電力変 の入力側が接続されてい る。電力変換器 16は入力電圧 (直流発電機 11やキャパシタ 15の出力)を任意の一 定出力電圧または一定出力電流に制御可能であり、例えば DCDCコンバータが用 いられる。これにより、電力変 の出力側に接続されたバッテリ 17の充電制御 を行うことが可能になる。なお、電力変翻16の詳細構成については後述する。
[0028] ノ ッテリ 17には電力変翻16の出力と並列に車載電装品等力もなる負荷 18が接
続されている。負荷 18には車両の運転状況や負荷 18の使用状況に応じて直流発 電機 11、キャパシタ 15、およびバッテリ 17から電力が供給される。
[0029] 次に、電力変換器 16の詳細構成について説明する。なお、本実施の形態 1では電 力変換器 16は入力側の電圧を下げて出力する降圧型コンバータとした。
[0030] ここで、降圧型コンバータとした理由は以下の通りである。
[0031] 本実施の形態 1では、電力変換器 16の動作範囲は、その出力電圧であるバッテリ 電圧 Vb以上になるため、電力変 16の入力側に接続されたキャパシタ 15の電圧 Vcはキャパシタ 15の供給可能な電力残量力^の時、 Vbとほぼ等しい値になる。
[0032] 本実施の形態 1の場合、降圧型コンバータを採用しているので、キャパシタ 15の電 圧範囲は Vb以上で最大印加電圧 Vp以下でなければならない。このとき、 Vpを例え ば Vbの約 2倍程度まで大きく取れば、キャパシタ 15の蓄積能力の約 75%は利用で きるので、実用上極めて効率的な構成となる。もちろん、降圧型コンバータの機能を 包含する昇降圧型コンバータを用いてもよいが、この場合、回路が複雑になり大型化 してしまう。
[0033] 従って、上記のように降圧型コンバータを用いることで回路が簡素化され、小型化 にも貢献できる。
[0034] 具体的な構成については、まず電力変翻 16の入力側には、入力電圧を測定す るための入力電圧検出器 19が接続されている。これによりキャパシタ 15の両端電圧 Vcを求めている。また、入力側の正極ライン 13aには直列にスイッチング素子 20が 接続されて 、る。これにより出力の電圧や電流を直接制御して ヽる。
[0035] スイッチング素子 20の出力と負極ライン 13bの間にはダイオード 21が接続されて!ヽ る。ダイオード 21の正極ライン 13a側(力ソード側)にはインダクタンス素子 22がスイツ チング素子 20と直列になるように接続されて!、る。
[0036] インダクタンス素子 22には直列に出力電流検出器 23が接続され、その他端と負極 ライン 13bの間には出力電圧検出器 24が接続されている。
[0037] 出力電流検出器 23は、後述する負荷 18の電流制限値 Ilimが第 1の電流値 Imean または第 2の電流値 Imaxを超えないようにフィードバック制御するために、現在の電 流値を求めている。
[0038] 出力電圧検出器 24の両端は電力変 の出力となり、ここにバッテリ 17や負荷 18が接続されている。従って、出力電圧検出器 24はバッテリ 17の両端電圧 Vbを求 めていることになる。
[0039] 入力電圧検出器 19、スイッチング素子 20、出力電流検出器 23、および出力電圧 検出器 24は制御部 25に接続されて 、る。
[0040] 制御部 25は入力電圧検出器 19、出力電流検出器 23、および出力電圧検出器 24 の出力力 所定の出力電圧または出力電流になるように PWM制御によりスィッチン グ素子 20を制御している。
[0041] 次に、車両制動時の制動エネルギーを回収する動作について説明する。なお、説 明の前提条件として、車両は既に走行している状態とする。すなわち、直流発電機 1
1からの出力はキャパシタ 15にも蓄えられている状態であり、その電圧 Vcは電力変 が制御可能な入力範囲であるノ ッテリ電圧 Vb以上になるよう初期充電されて いる。
[0042] 図 2Aは電力変 16の入力電圧であるキャパシタ電圧 Vcを横軸に、電力変換 器 16の効率を左縦軸に、 PWM制御されるスイッチング素子 20の時比率 (オンオフ 比率)を右縦軸に示したものである。
[0043] Vcがバッテリ電圧 Vbとほぼ等しい時は、電力変 16が降圧型コンバータである ためほとんど降圧動作をする必要がないので、スイッチング素子 20が常時オン(時比 率 100%)になるように制御部 25で制御される。その結果、最大の発熱部品であるス イッチング素子 20が常時導通した状態となるため、発熱はほとんどなく電力変 6の効率は最大となる。
[0044] Vcが Vbを超えると、スイッチング素子 20が時比率に応じてオンオフ動作し始める ので、それによる発熱が増え効率が低下していく。この際の Vcに対する出力電流制 限値 Ilimと、 Ilimに応じた最大の出力電力によって決定される電力変 16の最大 損失を示した図が図 2Bである。図 2Bにおいて、横軸は Vcを、左縦軸は Ilimを、右 縦軸は最大損失をそれぞれ示す。
[0045] 上述したように、従来の昇降圧回路 3 (電力変換器 16に相当)では、出力電流制限 値 Ilimは負荷 5が消費し得る最大の電流値 Imaxで設計されている。よって、図 2Bの
Ilimにおける破線で示したように、 Vcがどのような値であっても Ilimは Imaxのままで ある。この場合、コンデンサ 2が制動エネルギーを多く蓄え Vcが大きくなるほど、図 2 Aに示すように昇降圧回路 3の時比率が下がるため、スイッチング素子 20の動作によ る発熱が発生し、さらに Ilimは Imaxのままであるので、図 2Bの最大損失における破 線で示したように最大損失( =発熱)が増加し続けて 、た。
[0046] そこで、本実施の形態 1では図 2Bの Ilim軸における黒丸に示したように、 Vcが Vb とほぼ等しい時はほとんど発熱しないため、 Ilimを第 2の電流値 Imaxとし (従来と同じ )、 Vcが Vbを超えると Ilimを第 1の電流値 Imean (Imaxより小さい電流制限値)とし た。
[0047] すなわち、 Vc >Vbの時の出力電流の制限値 Ilimを Imeanとし、 Vc^Vbの時は Ili mを Imaxとなるように、制御部 25が Ilimを切替制御する。なお、図 2Bで Vcが Vbより 大きくなると、 Ilim力 maxから Imeanに瞬時に切り替わるので、 Vc^Vbの時は黒丸 で示した Imaxが適用され、白丸で示した Imeanは適用されない。すなわち、図 2Bの 左縦軸上にある黒丸と白丸の意味は、 Vc^Vbにおいては黒丸の点が適用され、白 丸の点は適用されないものとして定義する。
[0048] 次に、こ制御部 25における切替制御内容を具体的に説明する。
[0049] まず、車両の制動中に負荷 18が消費する電流 Iloadが Imean以下であったとする 。この場合は制動エネルギーによる直流発電機 11の電力をキャパシタ 15に充電す るように制御し、同時に負荷 18に Iloadを供給する。
[0050] このとき、キャパシタ 15が充電されていくため Vc>Vbとなり、電力変^ ^16は降圧 動作を行うとともに、 Ilim = Imeanと設定される。従って、降圧動作のために図 2Aに 示すように時比率が下がりスイッチング素子 20が動作するものの、電力変換器 16に 流れる最大電流力 meanと少なくなるため、図 2Bの最大損失における実線に示した ように、 Vc>Vbでは最大損失が従来(同図の破線)に比べ低下する。
[0051] さらに、 Imean>Iloadであるので、電力変^ ^16に流れる電流は小さぐ降圧動 作を行って ヽても発熱が抑制される。
[0052] 一方、制動中に Iloadが Imeanを超えていたとする。この場合は直流発電機 11の 出力電力(制動エネルギー)をキャパシタ 15に充電させず、そのまま負荷 18に供給
するようにする。その結果、 Vcは上昇せず Vc=Vbとなるので、 Ilim=Imaxとなり、ス イッチング素子 20は常時オンされる。従って、図 2Aの効率のグラフに示したようにス イッチング素子 20は高効率動作になる。
[0053] よって、 Iloadが大きい場合であっても電力変換器 16が発生する損失は図 2Bに示 すように小さくなるため、発熱が抑制される。
[0054] 以上のことから、 Iloadの大小によらず発熱部品(スイッチング素子 20やインダクタン ス素子 22等)の発熱を抑制することができ、ヒートシンク等の放熱部品も小型化できる ため、電源システムの大きさを小さくすることが可能となる。
[0055] なお、第 1の電流値 Imeanは負荷 18が消費する平均電流に設定し、第 2の電流値 Imaxは従来同様に負荷 18が消費する最大電流に設定した。 Vc>Vbの時、電流の 制限値は第 1の電流値 Imeanとなるため、負荷 18が平均消費電流以下の場合は問 題ない。しかし、 Vc >Vbである間に負荷 18がそれ以上の消費電流を必要とすれば 、不足分をバッテリ 17から供給する力、一時的に Ilimを Imaxとするように制御してい る。
[0056] 上記の動作を実際に行った時の具体例について、図 3A、 B、および図 4A、 Bを用 いて詳細に説明する。なお、図 3A、 Bは電流不足分をバッテリ 17から供給する場合 、図 4A, Bは不足分を一時的に Ilimを Imaxとするように制御する場合を示す。
[0057] まず、図 3Aは走行中の車両の制動を 2回行った時のキャパシタ電圧 Vcの経時変 化を、図 3Bは出力電流の制限値 Ilimの切替、および負荷 18の必要電流 Iloadの経 時変化の一例をそれぞれ示す。
[0058] キャパシタ 15の両端電圧 Vcは、電力変換器 16が制御可能な入力範囲であるバッ テリ電圧 Vb以上で Vc^Vbになるよう初期充電されているので、図 3Aの時刻 tO〜tl では Vc^Vbとなる。
[0059] この時、 Ilimは、第 2の電流値 Imaxに設定されて!、る(図 3Bの tO〜tl参照)。従つ て、スイッチング素子 20は導通状態となり、オンオフを繰り返すことによる発熱は発生 しない。また、この時の負荷 18が消費する電流 Iloadは、直流発電機 11から直接に、 またはバッテリ 17から供給される。なお、直流発電機 11から直接負荷 18に電流が流 れる場合は、電力変 では発熱しないので負荷 18が必要とする最大電流 (第 2
の電流値) Imaxまで流すことができる。
[0060] 次に、時刻 tlで制動操作がなされたとする。これにより、直流発電機 11は急激に発 生した制動エネルギーを電気エネルギーに変換し、キャパシタ 15に充電する。従つ て、制動中(tl〜t3)は図 2Aに示すようにキャパシタ電圧 Vcは上昇し続ける。時刻 t 1以降は Vc >Vbとなるので、制御部 25は図 2Bに示すように Ilim=Imeanに切り替 え、電流制限値を小さくする。時刻 tl〜t2では図 3Bに示すように負荷 18の消費電 流 Iloadが Imeanよりかなり小さいため、直流発電機 11で発電された電力の大部分 はキャパシタ 15に充電されるとともに、一部 (Iload相当)は電力変翻16を介して負 荷 18に供給される。
[0061] その後、制動中に時刻 t2で負荷 18の消費電流が増加して Imean近くまで至ったと する。この場合、直流発電機 11で発電された電力の内、負荷 18が消費する電流は 電力変^ ^16を介して供給される。し力し、まだ Imeanには至っていないので、スィ ツチング素子 20やインダクタンス素子 22に流れる電流がそれほど大きくない。従って 、これらの発熱素子はあまり発熱しない。また、負荷 18の電流が増えたことにより、キ ャパシタ 15に充電される電力は少なくなる。従って、図 3Aに示したようにキャパシタ 電圧 Vcの上昇傾きは tl〜t2に比べ小さくなる。
[0062] 次に、時刻 t3で制動を中止したとする。この場合、本来であれば制動中止後はキヤ パシタ 15に蓄えた電力を負荷 18、およびバッテリ 17に供給するのである力 ここで は時刻 t3から t4に渡って負荷 18の電流 Iloadがほぼ電力変換器 16の電流制限値 I meanであるので、キャパシタ 15の電力はほとんど負荷 18に供給される。この期間は 、ノ ッテリ 17には一定の電圧が印加されており、一定の充電状態を維持するように充 電される。この場合も電力変換器 16に流れる電流は Imeanであるので、電力変換器 16の発熱を小さく抑えられる。また、時刻 tl力 t4の間に制動エネルギーを有効に 負荷 18に供給でき、内燃機関 10の動力で発熱することがないので、燃料消費が抑 えられ、燃費向上ゃ低排ガス化に寄与できる。
[0063] 次に、時刻 t4以降では減速した後の車速のまま車両が走行しているとする。
[0064] このときは Vc^Vbになるので、制御部 25は Ilim=Imaxに戻す。
[0065] 時刻 t4力 t5の間は Iloadが t4以前と同じであるカ 図 3B参照)キャパシタ 15から
の電力供給は得られないので、直流発電機 11から直接に、またはノ ッテリ 17から供 給される。この際、直流発電機 11から供給する場合は電力変換器 16を介すること〖こ なるが、 Ilim=Imaxとしているので、時比率が 100%、すなわちスイッチング素子 20 が導通となり、発熱部品からの発熱がほとんどない状態で供給することができる。
[0066] 次に、時刻 t5になると、負荷 18の必要電流がほぼ Imaxになったとする。しかし、図 3Aより車両制動は行っていないので、 Imaxに相当する電流は t4〜t5と同様に直流 発電機 11から直接に、またはバッテリ 17から供給される。この際も Iloadが Imaxを超 えることはなぐまた、スイッチング素子 20は導通となり電力変 が高効率となる ため、 Iloadが大きくても発熱部品からの発熱がほとんどない状態で直流発電機 11か ら電力を供給することができる。
[0067] 次に、時刻 t6になると負荷 18の消費電流 Iloadが初期(tO〜tl)のレベルに下がつ たとする。この場合も流れる電流量が減少するだけで、 t5〜t6と同様に直流発電機 1 1から直接に、またはノ ッテリ 17から負荷 18に電力が供給される。もちろん、流れる 電流が下がるので、電力変換器 16の発熱はほとんどない。
[0068] 次に、時刻 t7で再度車両制動をかけたとする。この場合、直流発電機 11の制動ェ ネルギ一は負荷 18への電力供給とキャパシタ 15の充電に充てられる。この際、負荷 18への電力供給は電力変翻 16を介することになるが、図 3Bより制動期間中(t7 〜t8)の負荷 18の Iloadは小さいままであるので、時刻 t7において Vc>Vbより Ilim 力 maxから Imeanに絞られるものの、電力変^ ^16はほとんど発熱することなく電 力が負荷 18に供給される。一方、 Iloadで消費される電流以外はキャパシタ 15に蓄 えられるので、 Vcは図 3Aに示すように t7から t8に渡って上昇し続ける。
[0069] 次に、時刻 t8で制動を中止したとする。これにより、キャパシタ 15が蓄えた電力は 電力変 16を介してバッテリ 17、または負荷 18に供給される。この際、時刻 t8か ら t9では負荷 18の Iloadが小さいままなので、キャパシタ 15は Iloadを負荷 18に供給 しつつ、ノ ッテリ 17の残量値を一定にするように充電する。しかし、時刻 t9で急に負 荷 18の消費電流力 max近くまで上昇したとする。この場合は図 3Bより明らかなよう に、キャパシタ 15から得られる電流の制限値 Ilimを Imeanとしているので、電力変換 器 16で Imeanまでキャパシタ 15から供給することはできても、それ以上の電流は供
給できない。
[0070] そこで、ここではキャパシタ 15からの電流を Imeanまでとして負荷 18に供給するに 留め、電力変換器 16の発熱を抑える。すると、 t8から t9でのキャパシタ 15からの電 流値と t9から tlO (Vc^Vb)でのキャパシタ 15からの電流値はいずれも Imeanと一 定であり供給先が異なるだけなので、図 3Aに示すように Vcの t8から tlOの傾きは変 わらない。よって、 t9から tlOでも電力変^ ^16の発熱を抑えられる。
[0071] また、問題となる負荷 18への電力供給不足に対しては、不足分(図 3Bに両矢印で 示した)をバッテリ 17から供給するようにして 、る。キャパシタ 15の電力があるうち(t 1 0まで)は、キャパシタ 15とバッテリ 17から負荷 18に電力を供給している。
[0072] 最後に、 tlOで Vc^Vbとなれば、キャパシタ 15からの電力供給を停止するとともに 、電力変換器 16の Ilimを Imeanから Imaxに増やす。これにより、キャパシタ 15の代 わりに直流発電機力もの電力をバッテリ 17の電力とともに、ある 、は 、ずれかから負 荷 18に供給するようにしている。この場合、 Ilimは Imaxであるので、スイッチング素 子 20は導通となり、直流発電機 11からの電流による発熱はほとんど発生しない。
[0073] 以上の具体的動作から、本実施の形態 1の制御により、負荷 18がどのような消費電 流を必要としても電力変 の発熱部品をほとんど発熱させることなく電流供給 することができるので、放熱部品の小型化が可能となり、電源システム全体としても小 型化が図れる。
[0074] なお、図 3A、 Bでは時刻 t9における負荷 18の消費電流不足分をバッテリ 17から供 給する構成について説明した。
[0075] 次に図 4A、 Bを用いて、一時的に Ilimを変更することにより負荷 18の消費電流不 足分の供給を行う例を説明する。
[0076] 図 4A、 Bにおいて、グラフの縦軸、横軸の意味は図 3と同じである。また、時刻 tOか ら t9までの動作は図 3と全く同じであるので説明を省略する。
[0077] 図 4Bでは、キャパシタ 15から負荷 18に電力を供給する際に、時刻 t9で負荷 18の 消費電流 Iloadが第 1電流値 Imeanを上回った場合、 Imeanまでは電流を供給でき る力 それ以上は流さないように制御部 25が制限していたため、負荷 18を駆動でき ない。そこで、 Vc >Vbではあるものの一時的に電力変換器 16は出力電流の制限値
Ilimを Imean以下から Imax以下に制限するよう切り替える(Ilim=Imax)。これによ り、電力変換器 16は大電流を流せるようになるので、不足分を補える電流をキャパシ タ 15から負荷 18に供給できる。但し、従来例と同じく効率の悪いところで電流を供給 するので、発熱部品の発熱は避けられない。
[0078] ところ力 図 4Aに示すように、 Iload=Imaxに切り替えると、大電流が流れることに より、 Vcが極めて高速に低減していく(t9から tlOの傾きが大きくなる)。本実施の形 態 1では、切り替えて短時間内に Vcが Vbに至る。
[0079] 従って、キャパシタ 15から負荷 18に大電流を流している時間は非常に短ぐ発熱も ごく僅かである。そのため、従来のように大きな放熱部品を特に設けなくても問題なく 、図 3A、 Bの場合と同様に小型化が達成できる。なお、 Vc^Vbになった後は、図 3 A、 Bの tlO以降と同様の動作とすればよい。
[0080] 以上の構成、動作により、どのような負荷消費電流にも対応でき、かつ、特に大きな 放熱部品を用いることがないため小型化が可能な回生機能を有する電源システムを 実現できる。
[0081] (実施の形態 2)
図 5は本発明の実施の形態 2における電源システムのブロック回路図である。図 6A は本発明の実施の形態 2における電源システムの車速 Vの経時変化図である。図 6B は本発明の実施の形態 2における電源システムの負荷消費電流 Iloadの経時変化図 である。図 6Cは本発明の実施の形態 2における電源システムの発電電流 Igの経時 変化図である。図 6Dは本発明の実施の形態 2における電源システムのキャパシタ電 圧 Vcの経時変化図である。図 6Eは本発明の実施の形態 2における電源システムの ノ ッテリ電圧 Vbの経時変化図である。図 6Fは本発明の実施の形態 2における電源 システムの電流制限値 Ilimの経時変化図である。なお、図 5において、図 1と同一の 構成には同一の番号を付し、詳細な説明は省略する。
[0082] 実施の形態 1では、車両の制動時に発生する制動エネルギーを回収する部分に重 点をおいて説明した。本実施の形態 2では、実施の形態 1における構成、動作に加え 、キャパシタ 15ゃバッテリ 17の残量を検出することにより、ノ ッテリ 17の充電制御や 直流発電機 11の発電制御等の電源システム全体としての制御を盛り込んだ構成、
動作について詳細を説明する。
[0083] 本実施の形態 2において、実施の形態 1から追加した構成は以下の通りである。
[0084] まず、ノ ッテリ 17に直列にバッテリ残量検出器 26が接続されている。ノ ッテリ残量 検出器 26はバッテリ 17の電圧や流れる電流、その積算時間等から残量に変換する もので、前記測定パラメータを測定するための検出器群、および演算部をバッテリ残 量検出器 26内部に内蔵している。
[0085] 同様に、キャパシタ 15にも直列にキャパシタ残量検出器 27が接続されている。な お、キャパシタ残量検出器 27の構成もノ ッテリ残量検出器 26と同様である。バッテリ 残量検出器 26の残量出力は、充電制御回路 28を介して電力変翻16内の制御部 25に接続されている。そして、ノ ッテリ残量に応じて充電制御回路 28が電力変 16をフィードバック制御することにより、ノ ッテリ 17への充電を制御して!/、る。
[0086] 一方、バッテリ残量検出器 26、およびキャパシタ残量検出器 27の各残量出力は、 発電制御回路 29を介して直流発電機 11に接続されている。そして、キャパシタ 15や ノ ッテリ 17の材料に応じて、キャパシタ 15からの電力をバッテリ 17に充電したり、発 電制御回路 29により直流発電機 11の出力を増力!]させてバッテリ 17を充電したりする ように制御している。
[0087] 次に、本実施の形態 2における電源システムの様々な状況における動作について 説明する。
[0088] 本実施の形態 2における動作の特徴となる部分は、 Vc >Vbの時、電力変換器 16 の出力電流制限値 Ilimを第 1の電流値 Imeanとし、 Vc^Vbの時、 Ilimを第 2の電流 値 Imaxとするように切り替えることを基本とする力 それにカ卩え、ノ ッテリ 17の残量が 既定値以下になり、その残量が標準残量まで回復する間のみ、 Vc^Vbとなるようキ ャパシタ 15を放電しつつ Ilimを Imaxに切り替える点である。これにより、ノ ッテリ 17 の残量が少なくなると、 Ilimを増やし電力変 に大電流が流せるようにすること で、発熱を抑制しつつ早急にバッテリ 17を標準残量にすることができる。
[0089] さらに、本実施の形態 2ではバッテリ 17の残量が既定値より大きい場合は、車両制 動時に、負荷 18が消費する電流 Iloadが Imeanより大きくてもバッテリ 17から供給す るように制御される。また、制動エネルギーを直流発電機 11により回収し、キャパシタ
15に充電を行う。
[0090] この場合、負荷 18へはバッテリ 17からと、直流発電機 11から電力変翻16を介し て電流が供給される。また、直流発電機 11の出力電流から電力変換器 16への電流 を差し引いた分がキャパシタ 15に充電される。従って、 Vc >Vbとなり、電力変 6の出力は Imeanに制限され、発熱はほとんど起こらない。また同時に、制動エネル ギーを回収できる回数を増やすことが可能となるので、キャパシタ 15の利用率が高ま り燃費向上等の改善効果も得られる。
[0091] 上記の状態を含め、具体的な動作例を図 6A〜Fを用いて経時的に説明する。
[0092] まず、時刻 tOでは走行して 、な 、が、内燃機関 10は駆動して 、るアイドリング状態 である。図 6Aの車速 Vは 0である。し力し、アイドリング中でもエンジン制御部など車 載電装品は駆動しているものがあるので、図 6Bの負荷消費電流 Iloadは、少ないも のの、一定値を示す。
[0093] この Iloadは図 6Cより直流発電機 11の発電電流 Igによりまかなわれている。なお、 これはバッテリ 17から供給されてもょ 、が、本実施の形態 2では基本的に直流発電 機 11力 供給する場合について、以下説明する。
[0094] Igは電力変換器 16を介して負荷 18に供給される。図 6Dより、時刻 tOでのキャパシ タ電圧 Vcは Vbであるので、時比率が 100%、すなわちスイッチング素子 20が導通 状態を保つ。ゆえに、電力変換器 16での損失がほとんどない状態で負荷 18に電流 が供給され、この時点で電力変 が発熱することはほとんどない。なお、もし車 両起動時にキャパシタ電圧 Vcが Vb以下であれば、電力変換器 16の入出力を遮断 し、アイドリングで発電して ヽる直流発電機 11の電力によりキャパシタ 15を Vc = Vb になるまで充電する。
[0095] 図 6Dでは、例えば車両の使用中断時間が短ぐ次の起動時で既に Vc^Vbであつ た場合を示している。従って、上記充電動作は省略している。ノ ッテリ残量 Vremは ノ ッテリ残量検出器 26で検出される。図 6Eの場合では、時刻 tOにおいて Vremが標 準残量であることを示す。電力変換器 16の電流制限値 Ilimは図 6Dより Vc^Vbであ るので、図 6Fに示すように第 2の電流値 Imaxに設定される。
[0096] 次に、上記状態から車両が走行を始め、図 6Aに示すようにある一定速度に達する
と、その速度を保って走行したとする(時刻 to〜ti)。この間は内燃機関 10の機械工 ネルギ一が駆動輪 12に伝達されることで図 6Aのように走行する。よって、制動もなく 、負荷 18の Iloadも不変であるので、直流発電機 11の Igも不変である(図 6B、 C参照 )。キャパシタ 15への制動エネルギーの回収も起こらないため、 Vc^Vbのままである (図 6D参照)。 Ilimも Imaxのままである(図 6F参照)。また、直流発電機 11の Igが負 荷 18に Iloadとして供給されているので、 Vremも不変である(図 6E参照)。
[0097] 次に、時刻 tl力も t2で図 6Aに示すように車速 Vを下げる、すなわち制動をかけたと する。なお、負荷 18の Iloadは変わらなかったものとする(図 6B参照)。このとき、図 6 Cに示すように、直流発電機 11はできるだけ車両の制動エネルギーを回収するよう に制動エネルギーのみで最大限発電するので、発電電流 Igは増加する。
[0098] この Igの増加分(Ig— Iload)を初期値として、キャパシタ 15に制動エネルギーがー 且蓄えられる。これに伴い、図 6Dに示すようにキャパシタ電圧 Vcは上昇していく。そ の結果、 Vc>Vbとなるので、図 6Fに示すように Ilimは第 1の電流値 Imeanに制限さ れる。ここでは Imean>Iloadであるので、負荷 18に供給される電流は電力変^ ^1 6を介しても Imeanを超えることがない。従って、電力変 16の発熱部品はほとん ど発熱することはない。なお、 Vremについては負荷 18の Iloadが Igから供給されて
V、るので、図 6Eに示すように標準残量のまま変化しな!、。
[0099] 次に、時刻 t2で制動を中止し、図 6Aに示すように車速 Vを増加 (加速)させた後、 時刻 t6まで一定の速度で走行したとする。この間は制動エネルギーが発生しな 、の で、以下に示すように制御される。
[0100] まず、図 6Dに示すように Vcは増加(充電)から一転して t2で減少 (放電)に切り替 わる。この制動エネルギーを有効に活用するために、これまで直流発電機 11で得て
V、た負荷 18の Iloadをキャパシタ 15から得るようにし、直流発電機 11での発電を停 止するように制御する。具体的にはキャパシタ残量検出器 27の出力、およびバッテリ 残量検出器 26の出力を発電制御回路 29が読み込む。現在両方とも十分な残量が あり発電を停止してもキャパシタ 15ゃバッテリ 17から負荷 18へ供給可能であると判 断している。その結果、直流発電機 11の発電を停止している。
[0101] これにより、内燃機関 10が直流発電機 11を駆動するのに必要なエネルギーが不
要となるので、燃費向上ゃ低排ガス化が可能となる。なお、 Iloadはキャパシタ 15の みから供給されるので、ノ ッテリ 17の電力は消費されず、図 6Eに示すように Vremは 変化しない。また、この時点(t2〜t3)でも Vc>Vbなので、図 6Fに示すように Ilimは Imeanのままである。さらに Imean> Iloadであるので、電力変換器 16に流れる電流 は少なく発熱もほとんど発生しな 、。
[0102] 次に、時刻 t3で急に何らかの車載電装品の使用を開始し、 Iloadが Imean以上に 増加したとする(図 6B参照)。このときはまだキャパシタ 15ゃバッテリ 17の残量がある ため、図 6Cに示すように Igは 0で発電は停止したままである。従って、負荷 18へはキ ャパシタ 15から電力変換器 16の電流制限値 Imeanまで電流を流し(図 6D、 F参照) 、不足分はバッテリ 17から供給される。これは実施の形態 1の図 3と同じ動作である。
[0103] これにより、ノ ッテリ 17の Vremは低減していく(図 6E参照)。なお、キャパシタ 15か らの電流値は Imeanまでに制限しているので、電力変 6の発熱は抑制されて いる。
[0104] 次に、時刻 t4になるとついにキャパシタ 15の Vcが Vbとほぼ等しくなる(図 6D参照) 。これにより、 Vcが Vb未満にならないようにキャパシタ 15力も負荷 18への電流供給 は停止する。しかし、 Iloadは大きいままなので(図 6B参照)、キャパシタ 15から供給 されなくなった電流は発電制御回路 29の指示により直流発電機 11を駆動してその 発電電流 Igでまかなうように制御している。この際、図 6Dより t4で Vc^Vbとなったの で、電力変換器 16の Ilimは Imaxに切り替えられる。従って、直流発電機 11の Igはス イッチング素子 20が導通状態で流れるので、発熱はほとんど起こらない。このとき Ilo adは直流発電機 11の Ig力も供給される。従って、 Vremは一定となる(図 6C、 E参照 ) oなお、この際に直流発電機 11の発電電流 Igを Iloadより大きくして、増加分をバッ テリ 17に充電するよう制御してもよい。
[0105] 次に、 t5で負荷 18の Iloadが当初のように小電流に切り替わったとする(図 6B参照 ) oこのときの電源供給源は直流発電機 11かバッテリ 17である。 Iloadが小さいので、 直流発電機 11から Iloadに電流供給するとともに、減ってしまったバッテリ残量 Vrem を回復するため、直流発電機 11の発電電力をバッテリ 17に充電する。この際、 Igは 変わっていないので、 Iloadが減った分、多くの電流をバッテリ 17に供給でき、 Vrem
は早急に回復する。具体的には、図 6Bで Iloadが下がったものの、直流発電機 11で 発電する Igは図 6Cに示すように t5以前と変わっていない。なお、 Igく Imaxとしてい る。この余剰電力をバッテリ 17に充電することで、図 6Eに示すように Vremは標準残 量に向かって回復していく。
[0106] 時刻 t4力も t6では、 Vc^Vbであり、電力変^ ^16の出力は Imax以下に制限さ れているので、スイッチング素子 20は導通状態となり、発熱が抑制される。なお、バッ テリ 17の充電制御はバッテリ残量検出器 26から Vremを求め、その情報を充電制御 回路 28に伝達することにより、充電に必要な制御情報を電力変換器 16の制御部 25 に伝達する。これを受けて制御部 25はバッテリ 17に充電できる条件を満たすようにス イッチング素子 20を制御して充電を行って 、る。
[0107] 次に、時刻 t6で制動を行ったとする(図 6A参照)。この時の Iloadは少な!/、ままであ るので(図 6B参照)、 Iloadへは t6以前と同様、直流発電機 11の Ig力 供給され続け る。しかし、制動エネルギーが発生しているので、内燃機関 10の機械エネルギーによ る発電を停止するよう発電制御回路 29が制御する。従って、必要量し力発電しない 機械工ネルギ一による Igに比べ、制動エネルギー回収効率を上げるため発電量が 最大限となるように制御しているので、 Igは増加する(図 6C参照)。この電力をキャパ シタ 15に充電する。従って、 Vcが増加していく(図 6D参照)。これにより、 Vc>Vbと なるので、 Ilimは Imeanに下げるように切り替えられる(図 6F参照)。
[0108] ここで、 Iloadは Igから供給されて!、る。 Imean>Iloadであるので、 Ilimを Imeanに 下げても電力変 16に流れる電流は小さぐ発熱もほとんどしない。また、 t6で制 動エネルギーをキャパシタ 15に充電しながら負荷 18へ供給しているので、バッテリ 1 7からの供給は不要であり、その Vremは回復した標準残量を維持し続ける(図 6E参 照)。
[0109] 次に、時刻 t7で制動を停止し、一定速度での走行を行ったとする(図 6A参照)。こ のとき、負荷 18の Iloadは小さいまま不変であったとする(図 6B参照)。この場合は充 電していたキャパシタ 15の電力を放電して負荷 18に供給するため、直流発電機 11 を停止する(図 6C参照)。
[0110] キャパシタ 15の電力を負荷 18に供給すると、 Vcは減少していく(図 6D参照)。しか
し、 Iloadは小さいので、キャパシタ 15からだけで供給することができ、バッテリ 17の 電力を消費しない。従って、 Vremは標準残量のまま推移する(図 6E参照)。また、図 6Dより Vc>Vbなので Ilimは Imeanに切り替えた状態を維持している(図 6F参照)。 Imean>Iloadであるので、この場合も電力変^ ^16が発熱することはほとんどない
[0111] 次に、 t8で再び負荷 18の Iloadが増加したとする(図 6B参照)。この場合の動作、 制御は t3と同一であるので、詳細な説明は省略する。
[0112] t9で、 Vc^Vbになるまでキャパシタ 15の電力を消費する前に、再び車両の制動を 行い減速したとする(図 6A参照)。なお、 Iloadは大きいままとする(図 6B参照)。この 場合、制動中は制動エネルギーにより発電が行われ Igが発生する。その結果、それ まで放電していたキャパシタ 15は一転して Igにより充電され、 Vcが増加する(図 6D 参照)。ゆえに、 Vc >Vbのままであるので、 Ilimは Imeanのままである(図 6F参照)。
[0113] この制動エネルギーにより発電された電力は、直接バッテリ 17には充電できないの で、全てキャパシタ 15に充電される。その結果、負荷 18への Iloadはバッテリ 17から 供給されることになり、 Vremは減少し続ける(図 6E参照)。本実施の形態 2ではバッ テリ 17の残量が多い場合は、図 6D中に破線囲み Aで示したように、制動エネルギー のキャパシタ 15への充電を再開している。このように制御することで、制動エネルギ 一の回収効率の向上が可能となる。
[0114] 次に、 tlOになると、制動され続けているにもかかわらず(図 6A参照)、 Vcが最大値 Vp (キャパシタ 15が満充電)に至ってしまったとする(図 6D参照)。この場合は、これ 以上制動エネルギーを蓄えることができないので、キャパシタ残量検出器 27の出力 が満充電であることを発電制御回路 29に伝達する。発電制御回路 29は制動エネル ギ一による発電量を減少させ、キャパシタ 15の電圧を一定値 Vp〖こするように直流発 電機 11を制御する。その結果、直流発電機 11の Igは 0となるが制動は続いている。 そして、制動が終了する ti lまで直流発電機 11による減速の割合は減少し、一般の ブレーキ動作による減速の割合が増加する。この時も、 Iloadは大きいままなので(図 6B参照)、引き続きバッテリ 17と直流発電機 11から電力が供給され、 Vremは減少し ていく(図 6E参照)。この際、 Vc >Vbであるので Ilimは Imeanと小さい方に切り替え
られている(図 6F参照)。従って、電流は Imeanで制限されるので発熱はほとんど起 こらない。
[0115] 次に、 ti lで制動が終了し、一定速度での走行になったとする(図 6A参照)。
[0116] なお、この時の Iloadは大きいままとする(図 6B参照)。この場合、キャパシタ残量が 満充電であり、バッテリ 17の残量 Vremも下限には至っていないので(図 6D、 E参照 ) ,両者力 負荷 18に電力が供給される。但し、 Vc>Vbであるので、 Ilim = Imean の制約がある(図 6F参照)。すなわち、キャパシタ 15から負荷 18に流せる電流は Im eanまでである。この制約により、電力変 16はあまり発熱することなく電流を流す ことができる。電流不足分 (Iload— Imean)はバッテリ 17から供給することになるので 、 Vremはさらに下がり続ける(図 6E参照)。
[0117] そして、時刻 tl2に至ってついに Vremは下限残量に達してしまう(図 6E参照)。し かし、負荷 18は大電流 Iloadを消費し続けている(図 6B参照)ので、このままでは電 流供給が不足してしまう。そこで、 Vremが下限残量に達したという情報は、バッテリ 残量検出器 26を介して発電制御回路 29に伝達される。発電制御回路 29はバッテリ 17から供給できなくなった電流分を発電するように直流発電機 11を制御する。その 結果、図 6Cに示すように tl2から Igを発生させる。この発電電力は、ノ ッテリ 17の劣 化を防ぐためこれ以上 Vremが減らないように(図 6E参照)、キャパシタ 15の放電電 力と合わせて負荷 18に供給される。これによりバッテリ 17からの放電は停止する。こ の時、 Iloadは大きいままなので、直流発電機 11の電力とキャパシタ 15の電力を合 わせて負荷 18に供給するには電力変 に大電流を流さなければならない。し かし、 tl 2では Vc >Vbであるので Ilimは Imeanとなっている。このため、 Imean以上 の電流を負荷 18に供給することができず、直流発電機 11を駆動してもノ ッテリ 17の 代わりに電流を供給することができな 、。
[0118] そこで、図 6Fに破線囲み Bで示したように、 Vc>Vbであるにもかかわらず電力変 翻 16の Ilimを Imaxとする。これは実施の形態 1の図 4と同じ動作である。これによ り一時的(tl2〜tl3)ではある力 キャパシタ 15の電流力 ¾naxまで流れ、負荷 18に 供給される。この場合、図 2Bの太い破線に示したように最大損失が大きくなるので、 発熱が増える。一方、図 6Dに示すように tl2から tl3ではキャパシタ 15から流れる電
流が増えるので、 Vcの減少速度 (傾き)は大きくなる。よって、仮に tl2〜tl3で発熱 したとしても、発熱量は僅かである。なぜならば、図 2Bの最大損失を示す太い破線に 示したように、 Vcが Vbに近づくにつれて最大損失は小さくなり、発熱も減っていくか らである。
[0119] このようにして負荷 18に対し Iloadを直流発電機 11とキャパシタ 15力 供給するこ とで、負荷 18を止めることがなくなり、また、バッテリ 17の下限残量をこれ以上下げる ことちなくなる。
[0120] 次に、 tl3で Vc^Vbになると(図 6D参照)、本来 Ilimを Imaxに切り替える力 ここ では tl2ですでに切り替えているので、そのままの状態を維持する(図 6F参照)。 tl3 ではキャパシタ 15の供給可能な電力を使い切っているので、図 6Bに示すように負荷 18の Iloadが大きいままであれば、直流発電機 11の Igのみで供給することになる(図 6C参照)。この際、 Vc^Vbであるので、電力変換器 16の損失は最も少なぐ Iload に相当する電流を流しても発熱はほとんどしない。なお、 tl 2で下限残量に達したバ ッテリ 17には充電をしなければならないが、負荷 18が大電流を消費しているため、 負荷 18への電流供給が優先され、 Vremは下限残量のままである(図 6E参照)。
[0121] 次に、 tl4でさらに制動がかかり、 Vが低下したとする(図 6A参照)。これにより、本 来なら制動エネルギーを直流発電機 11で発電し、キャパシタ 15で回収するよう制御 される。しかし、負荷 18が大電流を消費しているのに対し、(図 6B参照)、キャパシタ 15は負荷 18への供給可能な電力が残っていない(図 6D参照)。また、 Vremが下限 残量であるのでバッテリ 17からも供給できない(図 6E参照)。結局、直流発電機 11の Igからし力負荷 18に Iloadを供給できない状態である(図 6C参照)。
[0122] この場合、必ず電力変換器 16を介して負荷 18に電流が供給されるので、電力変 換器 16の損失はできるだけ少なくする必要がある。そのためには、 Vc^Vbでなけれ ばならない。もし tl4で発生する制動エネルギーをキャパシタ 15に充電すると Vc >V bとなり、 Ilim=Imeanに切り替わるため、流せる電流が減少し負荷 18が停止してし まう。また、本実施の形態 2の特徴であるバッテリ 17が下限残量以下であれば Vc>V bでも Ilim=Imaxにするよう制御したとすると、制動を開始して力 キャパシタ 15の電 圧 Vcが Vbにほぼ等しくなるまでの時間は電力変換器 16の損失が大きい状態で大
電流が流れる。本実施の形態 2における大型ヒートシンクなどの放熱対策を十分行つ ていない電力変 が異常発熱を起こし、故障する可能性が考えられる。
[0123] そこで、この問題を避けるために、本実施の形態 2の電源システムでは、 tl4で制動 が行われていても、バッテリ 17の残量が下限以下である時には制動エネルギーをキ ャパシタ 15に回収する動作を行わな 、ように制御して 、る。具体的にはバッテリ残量 検出器 26の出力を発電制御回路 29が読み込み、 Vremが下限以下であれば制動 エネルギー分を発電しないように直流発電機 11を制御する。その結果、図 6Dに示 すように tl4で制動が力かっているにもかかわらずキャパシタ 15への充電は行われ ず、 Vc=Vbのままである。よって、 Ilim=Imaxのままである(図 6F参照)。また、直 流発電機 11の Igも tl4で制動をかけても変化せず、それまでの発電量を維持して!/ヽ る(図 6C参照)。但し、この時の発電は制動中であるので、内燃機関 10の機械エネ ルギ一ではなぐ制動エネルギーによって行われている。従って、 Igはスイッチング素 子 20が導通状態 (最も損失の少な!/、状態)で負荷 18に供給されるため、電力変翻 16の発熱はほとんど発生しない。なお、この時点(tl4〜tl5)でも負荷 18は大電流 を消費し続けているので、ノ ッテリ 17への充電は行われず、下限残量を維持したまま である(図 6E参照)。
[0124] 次に、 tl5で負荷 18の Iloadが起動時 (tO)と同様に少なくなつたとする(図 6B参照 ) oこの場合は、発電している Igの内、 Iloadに必要な分以外はバッテリ 17の充電に 充てられる。これにより Vremは増加していく(図 6E参照)。従って、電力変換器 16に 流れる電流は tl5以前と同様の値である(図 6C参照)。
[0125] これだけの大電流を流す必要があるため、電力変 の損失を抑え、発熱させ ないようにする必要がある。そこで、 tl5の時点でも制動中にもかかわらずキャパシタ 15への電力回収は行わない。よって Vc=Vbのままである(図 6D参照)。また、これ により Ilim=Imaxを維持する(図 6F参照)。
[0126] 次に、 tl6で制動が終わり、一定速度で走行したとする(図 6A参照)。なお、この場 合の Iloadは小さいまま維持しているとする(図 6B参照)。この時点(tl6)では、まだ Vremが標準残量まで回復していないので、直流発電機 11で発電した電力の内、負 荷 18で使用する分を差し引 、た残りを引き続きバッテリ 17に充電する。これ〖こより Vr
emは増加し続ける(図 6E参照)。なお、 tl6では制動されていないので、キャパシタ 15に充電する電力がない。よって、 Vc^Vbのままであり、 Ilim=Imaxを維持する( 図 6D、 F参照)。その結果、電力変翻 16にバッテリ 17を充電するための大電流 Ig が流れても、ほとんど発熱することはない。
[0127] 次に、時刻 tl7でバッテリ 17の充電が完了し、 Vremが標準残量に至ったとする(図 6E参照)。この情報はバッテリ残量検出器 26から充電制御回路 28に伝達される。そ の結果、電力変翻 16は負荷 18への電流 Iloadのみを供給すればよいことになり、 そのように制御するよう制御部 25に指令を送る。また、同時にバッテリ残量検出器 26 力も発電制御回路 29にも Vremが標準残量に至った情報が伝達される。これを受け 、発電制御回路 29は負荷 18が消費する電流のみ発電するように直流発電機 11に 指令を送る。その結果、 Igは負荷 18の少ない消費電流 Iloadに合わせて低減される( 図 6B、 C参照)。なお、 tl7から tl8の間は制動が力かっていないので、(図 6A参照) 、キャパシタ 15への充電は行われない。すなわち、 Vc^Vbを維持し、その結果、 Hi m=Imaxを維持する(図 6D、 F参照)。
[0128] 次に、 tl8で制動がかかり、車速 Vが減少したとする(図 6A参照)。この時点ではバ ッテリ 17への充電が完了している(図 6E参照)。また、 Vc=Vbであることから、キャパ シタ 15への蓄電も行われていない(図 6D参照)。よって、制動エネルギーを回収す るために直流発電機 11の Igは増加する(図 6C参照)。このとき、負荷 18は少ない Ilo adを維持しているとすると(図 6B参照)、 Igの内、 Iload分は負荷 18に供給され、残り の電流はキャパシタ 15の充電に充てられる。これにより、 Vcは増加し、 Vc>Vbとな るとともに、 Ilim=Imeanに切り替えられる(図 6D、 F参照)。電力変翻 16で流せる 電流 Ilimは Imeanに減少するが、 Imean> Iloadであるので、スイッチング素子 20等 がほとんど発熱することなく電流を負荷 18に供給することができる。
[0129] 次に、 tl9で車両が停止し、制動が終了したとする(図 6A参照)。この時の負荷 18 の消費電流 Iloadは小さいままであったとする(図 6B参照)。この時点で、制動エネル ギーを効率よく利用するために tl8から tl9で蓄えたキャパシタ 15の電力を優先的に 負荷 18に対して供給する。キャパシタ残量検出器 27よりキャパシタ 15に電力が蓄え られている情報が発電制御回路 29に伝達されるので、発電制御回路 29は直流発電
機 11に対し発電を停止するよう指令を送る。その結果、 Igは 0になる(図 6C参照)。 一方、キャパシタ 15は負荷 18に対して Iloadを供給しているので、徐々に Vcが減少 していく。
[0130] なお、電力変^ ^16の Ilimは Imeanで、小さいままである(図 6F参照)力 Imean
>Iloadであるので、キャパシタ 15から Iloadを流してもスイッチング素子 20等の発熱 はほとんど発生しない。また、負荷 18への電流供給源はキャパシタ 15だけなので、 バッテリ 17の Vremは減少せず、標準残量を維持する(図 6E参照)。
[0131] 最後に、 t20になると、キャパシタ 15は Vc ^Vbに至り、供給可能な電力をほぼ使 い切った状態となる(図 6D参照)。これに応じて Ilim=Imaxに切り替わる(図 6F参照 ) oこの時点でキャパシタ 15からの電流供給は終了する。キャパシタ 15の残量がなく なったことをキャパシタ残量検出器 27が検出し、発電制御回路 29に伝達する。負荷 18は Iloadを消費し続けているため(図 6B参照)、発電制御回路 29は負荷 18に Iloa dを供給し続けるために直流発電機 11を駆動するよう指令する。これにより、キャパシ タ 15に代わって直流発電機 11から負荷 18に Iloadが供給される(図 6C参照)。なお 、負荷 18への電源供給源は直流発電機 11になったので、ノ ッテリ 17からは供給さ れず、 Vremは標準残量を維持する(図 6E参照)。
[0132] 具体的には以上説明したような制御に基づいて本実施の形態 2の電源システムが 動作している。
[0133] もしキャパシタ 15の残量があり、負荷 18の Iloadが小さぐかつバッテリ 17が標準残 量でなければ、電力変換器 16が出力電流の制限値 Ilimを第 2の電流値 Imax以下 に制限し、充電制御回路 28により電力変翻16の制御部 25を介してキャパシタ 15 の電力をバッテリ 17に充電してもよい。この場合、もし充電が完了する前にキャパシ タ 15の電圧が低下してバッテリ 17の電圧とほぼ等しくなれば、発電制御回路 29によ り直流発電機 11の出力を増加することにより、バッテリ 17を標準残量まで充電するよ うに制御すればよい。
[0134] ここで、上記動作説明の中で本実施の形態 2における特徴的な部分についてまと めると、次のようになる。
[0135] ノ ッテリ 17の残量 Vremが既定値(下限残量)を超える場合、負荷電流 Iloadが Ime
anより大きくなつてもバッテリ 17から負荷 18へ電流を供給できるので、制動時のキヤ パシタ 15への充電を行うことができる(図 6Dの破線囲み A部分)。これにより Ilimが I meanのままなので発熱を抑制できる上、制動エネルギー回収の回数が増加し、燃 費向上等の効果が得られる。
[0136] また、ノ ッテリ 17の残量 Vremが既定値(下限残量)以下になり、 Vremが標準残量 まで回復する間のみ、電力変換器 16は出力電流の制限値 Ilimを第 2の電流値 Imax 以下に制限する(図 6の点線囲み B部分)。これにより、速やかにキャパシタ 15の電力 が放電されるので、電力変 の損失が最低となる Vc^Vbの条件となり大電流 が流せる。その結果、バッテリ 17充電時の大電流供給や負荷 18への大電流供給を 行っても発熱を抑制できる。
[0137] さらに、ノ ッテリ 17の残量 Vremが既定値(下限残量)以下になり、 Vremが標準残 量まで回復する間のみ、車両制動時に直流発電機 11によるキャパシタ 15への充電 を行わない(図 6Dの tl4から tl6)。これにより、キャパシタ 15に充電した際の Vcの上 昇を避け、前記 Vc^Vbの条件を維持し続けられる。よって、バッテリ 17充電時の大 電流供給や負荷 18への大電流供給を行っても発熱を抑制できる。
[0138] 以上の構成、動作により、キャパシタゃバッテリへの効率的な充放電が制御できる。
また、負荷消費電流の変動に対応でき、かつ、キャパシタ、ノ ッテリや負荷がどのよう な状態にあってもほとんど電力変^^が発熱しないように制御される。従って、特に 大きな放熱部品を用いることなく小型化が可能な回生機能を有する電源システムを 実現できる。
[0139] (実施の形態 3)
図 7は本発明の実施の形態 3における電源システムのブロック回路図である。本実 施の形態 3は実施の形態 2とほぼ同等の構成であるので、同一の構成部分には同一 の番号を付し、詳細な説明は省略する。
[0140] 本実施の形態 3の特徴となる部分は、図 7に示すように電力変 の近傍に温 度センサ 30を設け、その出力を制御部 25に接続した点である。このように構成するこ とによって、温度センサ 30の出力により次のように制御が変わる動作とした。
[0141] まず、温度センサ 30の出力が例えば 100°C等の既定の温度以下であれば、電力
変翻 16の Ilimを Imaxに制限するとともに、負荷電流 Iloadが大きくても制動時に はキャパシタ 15へ充電し、制動エネルギーの回収を行う。これにより、温度が低い間 は燃費向上等の効果が効率よく得られる。但し、このとき電力変 は大電流が 流れるので、損失が大きくなり温度は次第に上昇する。そこで、既定の温度より高くな れば、実施の形態 1や 2で説明した電源システムと同様の動作を行うよう制御すること で発熱を抑制している。
[0142] 以上の構成、動作により、直接温度をモニターし電力変換器の動作を制御すること で、特に低温時のキャパシタへの制動エネルギー回収を最大限に行うことができる上 、高温時の電力変^^の発熱も抑制できる。従って、大きな放熱部品を用いることな く小型化が可能な回生機能を有する電源システムを実現できる。
産業上の利用可能性
[0143] 本発明の電源システムは、電力変換器の発熱を抑制することにより放熱部品の小 型化が実現でき、回生機能を有する電源システム全体の小型化が可能となるので、 車両の電源システム等として有用である。
Claims
[1] 内燃機関を有する車両において、
前記内燃機関から発生する動力または前記車両の制動により得られる動力により発 電を行う直流発電機と、
前記直流発電機の出力に接続したキャパシタと、
前記キャパシタを入力側に接続した、出力電圧または出力電流を制御可能な電力変 翻と、
前記電力変翻の出力側に接続したバッテリと、
前記バッテリに並列に接続した負荷と、を備え、
前記直流発電機により充電された前記キャパシタの両端電圧が前記バッテリの両端 電圧より高い時の前記出力電流の制限値を第 1の電流値とし、
前記キャパシタの両端電圧と前記バッテリの両端電圧が実質的に等しい時の前記出 力電流の制限値を第 2の電流値とした場合、
前記第 1の電流値を前記第 2の電流値より小さくしたことを特徴とする
電源システム。
[2] 前記第 1の電流値は前記負荷が消費する平均電流であり、前記第 2の電流値は前記 負荷が消費する最大電流であることを特徴とする
請求項 1に記載の電源システム。
[3] 前記電力変換器は、前記キャパシタの電圧が前記バッテリの電圧以上となるように制 御する降圧型コンバータであることを特徴とする
請求項 1に記載の電源システム。
[4] 前記直流発電機または前記キャパシタから前記負荷に電力を供給する際に、前記負 荷の消費電流が前記第 1の電流値を上回ると、前記電力変換器は出力電流の制限 値を前記第 2の電流値以下に制限することを特徴とする
請求項 1に記載の電源システム。
[5] 前記バッテリに接続されたバッテリ残量検出器をさらに備え、
前記バッテリ残量検出器が前記バッテリの残量が既定値以下であることを検出し、前 記残量が標準残量まで回復する間のみ、
前記電力変 が出力電流の制限値を前記第 2の電流値以下に制限するとともに、 車両制動時に前記直流発電機による前記キャパシタへの充電を行わないことを特徴 とする
請求項 1に記載の電源システム。
[6] 前記バッテリに接続されたバッテリ残量検出器をさらに備え、
前記バッテリ残量検出器が前記バッテリの残量が既定値より大きいと検出する場合は 、前記負荷が消費する電流にかかわらず車両制動時に前記直流発電機による前記 キャパシタへの充電を行うことを特徴とする
請求項 1に記載の電源システム。
[7] 前記電力変 の近傍に温度センサをさらに備え、
前記温度センサの温度出力が既定値より低い場合は、
前記電力変換器が出力電流の制限値を前記第 2の電流値以下に制限することを特 徴とする
請求項 1に記載の電源システム。
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