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JP2009183089A - 蓄電装置の制御装置及びそれを搭載した移動体 - Google Patents

蓄電装置の制御装置及びそれを搭載した移動体 Download PDF

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JP2009183089A
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伸一 藤野
Sadayuki Seto
貞至 瀬戸
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Abstract

【課題】移動体の減速時の回生エネルギを効率良く回収変換し、漏れ電流によるＥＭＣノイズを低減する。
【解決手段】発電機に接続される第１及び第２のスイッチング素子を備えたアームと、蓄電池と、一次整流コンデンサと、車載バッテリの出力端子に接続されるリアクトルと、２次整流コンデンサと、スイッチング素子をスイッチングする制御装置を備えて、前記蓄電池の充電状態が、エンジン始動に必要な充電状態以上であり、かつ、車載バッテリの電圧がエンジン始動に必要なバッテリ電圧以下である場合に、前記制御装置は前記第１のスイッチング素子をオンして、前記蓄電池の電力を前記車載バッテリに接続されたスタータに供給すること、及び前記蓄電池の電圧から前記車載バッテリの電圧を減じた電圧差が、所定の値以下となった場合には前記スイッチング素子を連続的にオンし、前記電圧差が所定の値以上である場合には１のスイッチング素子を断続的にオンする。
【選択図】図２

Description

本発明は、蓄電装置の制御装置、特に自動車等の移動体の回生エネルギの蓄電装置の制御装置およびそれを搭載した移動体に関する。
従来、車両における回生エネルギの蓄電装置は、エンジンに連結された発電機に副電源を接続し、その副電源と１２Ｖバッテリからなる主電源並びに補器類等の電装負荷との間をＤＣ／ＤＣコンバータと別のスイッチにて接続する手段（例えば、特許文献１）が提案されている。この手段は、回生エネルギを副電源に回収することで、回収エネルギの容量増加と回収効率を向上させて、車両の燃費を向上させている。
特開２００４−３２８９８８号公報
上記のような回生エネルギの蓄電装置は、副電源に回収したエネルギをＤＣ／ＤＣコンバータを介して、主電源に供給することから、ＤＣ／ＤＣコンバータの変換損失が生じ、これが燃費低下を生じる。また、別のスイッチを用いることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ故障時のロバスト性を向上させ、かつ、ＤＣ／ＤＣコンバータの変換損失を低減可能であるが、装置の複雑化を招いている。
さらに、副電源の負極側は、車両に独立して接地されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ内の負極の接地点と異なる。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータにて生じる漏れ電流は、副電源とＤＣ／ＤＣコンバータの間を、車両のシャーシなどを介して流れ、ＥＭＣノイズ発生の原因となる。
本発明の目的は、自動車等の移動体における回生エネルギを効率良く回収変換し、かつ、変換の時に生じる漏れ電流によるＥＭＣノイズを低減した信頼性高い蓄電装置の制御装置とそれを搭載した移動体を提供することである。
上記の課題を解決するため、本発明の蓄電装置の制御装置は、エンジンの動力により回転して交流電力を発電し、該交流電力を直流電力に変換する整流器を備えた発電機又はモータジェネレータと一方で連結され、他方で車載バッテリ及び補器と連結される蓄電装置の制御装置であって、直列に接続された第１及び第２のスイッチング素子を備えたアームを備え、前記第１及び第２のスイッチング素子と並列に接続された蓄電池と、前記第１及び第２のスイッチング素子と並列に接続された１次整流コンデンサと、前記第１及び第２のスイッチング素子の接続部に一端が接続され、他端が前記車載バッテリ及び前記補器への出力端子に接続されるリアクトルと、前記リアクトルの出力端子側に接続された２次整流コンデンサと、前記第１のスイッチング素子をスイッチングする制御部を備えて、前記蓄電池の充電状態が、エンジン始動に必要な充電状態以上であり、かつ、車載バッテリの電圧がエンジン始動に必要なバッテリ電圧以下である場合に、前記制御装置は前記第１のスイッチング素子をオンして、前記蓄電池の電力を前記車載バッテリに接続されたスタータに供給することを特徴とする。
本発明の蓄電装置の制御装置は、上記の特徴を備えた蓄電装置の制御装置において、車体に設置される端子であって、前記アーム、前記蓄電池、前記１次整流コンデンサ及び前記２次整流コンデンサの一方の端子が電気的に一点で接続される端子を有することを特徴とする。
本発明の蓄電装置の制御装置は、上記の特徴を備えた蓄電装置の制御装置において、前記蓄電池の電圧から前記車載バッテリの電圧を減じた電圧差が、所定の値以下となった場合には前記制御部は前記第１のスイッチング素子を連続的にオンし、前記電圧差が所定の値以上である場合には前記制御部は前記第１のスイッチング素子を断続的にオンすることを特徴とする。
本発明の蓄電装置の制御装置は、上記の特徴を備えた蓄電装置の制御装置において、前記車載バッテリの電圧が所定の車載バッテリ最大電圧以上である場合、前記第１のスイッチング素子をオフにして、前記車載バッテリと前記補器への電力の供給を停止し、前記車載バッテリの電圧が所定の車載バッテリ最大電圧以下である場合において、更に、前記蓄電池電圧から前記車載バッテリの電圧を減じた電圧差が、所定の値以上である場合には前記制御部は前記第１のスイッチング素子を断続的にオンすると共に発電を停止し、前記電位差が、前記所定の値以下である場合には前記制御部は前記第１のスイッチング素子を連続的にオンすると共に発電量を調整する制御を行うことを特徴とする蓄電装置の制御装置。
本発明の蓄電装置の制御装置は、上記の特徴を備えた蓄電装置の制御装置において、直列に接続された第１及び第２のスイッチング素子を備えた前記アームを２本備え、前記第１及び第２のスイッチング素子の接続部に一端が接続され、他端が前記車載バッテリ及び前記補器への出力端子に接続される前記リアクトルを２個備え、２個の第１のスイッチング素子の位相を略１８０度としたことを特徴とする。
また、本発明の発電・蓄電ユニットは、エンジンに連結されて、該エンジンの動力により回転して交流電力を発電し、該交流電力を直流電力に変換する整流器を備え、巻線からなる界磁巻線を備えた巻線界磁型の発電機又はモータジェネレータと、前記発電機と一方で連結され、他方で車載バッテリ及び補器と連結される蓄電装置であって、直列に接続された第１及び第２のスイッチング素子を備えたアームを備え、前記第１及び第２のスイッチング素子と並列に接続された蓄電池と、前記第１及び第２のスイッチング素子と並列に接続された１次整流コンデンサと、前記第１及び第２のスイッチング素子の接続部に一端が接続され、他端が前記車載バッテリ及び前記補器への出力端子に接続されるリアクトルと、前記リアクトルの出力端子側に接続された２次整流コンデンサと、前記第１のスイッチング素子をスイッチングする制御装置を備えた蓄電装置とから構成されるユニットであって、前記蓄電池の充電状態が、エンジン始動に必要な充電状態以上であり、かつ、車載バッテリの電圧がエンジン始動に必要なバッテリ電圧以下である場合に、前記制御装置は前記第１のスイッチング素子をオンして、前記蓄電池の電力を前記車載バッテリに接続されたスタータに供給することを特徴とする。
本発明の発電・蓄電ユニットは、上記の特徴を備えた発電・蓄電ユニッにおいて、車体に設置される端子であって、前記アーム、前記蓄電池、前記１次整流コンデンサ及び前記２次整流コンデンサの一方の端子が電気的に一点で接続される端子を有することを特徴とする。
本発明の発電・蓄電ユニットは、上記の特徴を備えた発電・蓄電ユニッにおいて、前記蓄電池の電圧から前記車載バッテリの電圧を減じた電圧差が、所定の値以下となった場合には前記制御装置は前記第１のスイッチング素子を連続的にオンし、前記電圧差が所定の値以上である場合には前記制御装置は前記第１のスイッチング素子を断続的にオンすることを特徴とする。
本発明の発電・蓄電ユニットは、上記の特徴を備えた発電・蓄電ユニッにおいて、前記車載バッテリの電圧が所定の車載バッテリ最大電圧以上である場合、前記第１のスイッチング素子をオフにして、前記車載バッテリと前記補器への電力の供給を停止し、前記車載バッテリの電圧が所定の車載バッテリ最大電圧以下である場合において、更に、前記蓄電池電圧から前記車載バッテリの電圧を減じた電圧差が、所定の値以上である場合には前記制御装置は前記第１のスイッチング素子を断続的にオンすると共に発電を停止し、前記電位差が、前記所定の値以下である場合には前記制御装置は前記第１のスイッチング素子を連続的にオンすると共に発電量を調整する制御を行うことを特徴とする。
本発明の発電・蓄電ユニットは、上記の特徴を備えた発電・蓄電ユニッにおいて、直列に接続された第１及び第２のスイッチング素子を備えた前記アームを２本備え、前記第１及び第２のスイッチング素子の接続部に一端が接続され他端が前記車載バッテリ及び前記補器への出力端子に接続される前記リアクトルを２個備え、２個の第１のスイッチング素子の位相を略１８０度としたことを特徴とする。
さらに、本発明の移動体は、上記の蓄電装置又は発電・蓄電ユニットを搭載した移動体において、前記移動体が減速する時に、前記蓄電池の充電状態が最大蓄電池充電状態を下回る場合、前記蓄電池の充電状態、発電機又はモータジェネレータの回転数、車両速度等の状態変数に基づいて、フィールド電流を制御することにより発電機又はモータジェネレータを回生制御することにより、前記移動体の回生エネルギを蓄電池に回収することを特徴とする。
本発明の移動体は、上記の蓄電装置又は発電・蓄電ユニットを搭載した移動体において、前記端子が前記移動体の車体に接続されていることを特徴とする。
本発明の移動体は、上記の蓄電装置又は発電・蓄電ユニットを搭載した移動体において、前記移動体が減速する時に、前記蓄電池の充電状態が最大蓄電池充電状態を上回る場合、フィールド電流をオフにして移動体の回生エネルギによる発電をオフとすることを特徴とする。
本発明の移動体は、上記の蓄電装置又は発電・蓄電ユニットを搭載した移動体において、前記移動体が減速する時に、車載バッテリの電圧が、最大車載バッテリ電圧を上回る場合には、前記第１のスイッチング素子をオフし、下回る場合には、前記第１のスイッチング素子を断続的にオンさせることを特徴とする。
本発明の蓄電装置の制御装置は、他のスイッチング素子を用いることなく、電圧上昇時に、電力変換を行うスイッチング素子のみで、発電器又はモータジェネレータと車載バッテリと補器類との接続が可能であり、スイッチング素子の過電圧保護を達成する。
本発明によれば、蓄電装置の制御装置の高信頼性と低コスト化が図られる。
また、本発明の移動体は、自動車等の移動体の回生エネルギを効率良く回収変換することができるので、燃費が向上し、EＭＣノイズを低減することができる。
本発明の実施の形態について、図１〜１７を参照して、以下に説明する。
図１は、本発明による蓄電装置を搭載した車両を示す。図１において、車両1はエンジン2を備え、エンジン2はトランスミッション3及び車軸5a, 5bを介して、前輪6a, 6bを駆動する。なお、本発明は、図１に示した前輪駆動車に限定されるものではなく、エンジンが後輪10a, 10bを駆動する車両や４輪を駆動する車両、更に６輪以上を備えたトラックやトレーラのような牽引車両にも適用可能である。
エンジンルーム内には、エンジン2とベルト9を介して連結された交流電動機からなるオルタネータ200を備え、オルタネータ200は、エンジン2により駆動され、車載バッテリ7の充電と車両の補器類8の電源とを兼ねる。オルタネータ200と、車載バッテリ7・補器類8との間には、蓄電装置100が搭載されており、蓄電装置100は、オルタネータ200の発電電力のバッテリ7として機能し、補器類8へ電力を供給すると共に、オルタネータ200によって電力に変換される回生エネルギを回収する。エンジン2には、エンジン始動手段であるスタータ4が連結されており、スタータ4は車載バッテリ7と電気的に接続されている。
なお、以上の説明では、オルタネータ200は、エンジン2とベルト9によって連結されているが、他の手段、例えばチェーンでもよいし、また、オルタネータ200を、トランスミッション3とエンジン2の間に搭載し、クランクシャフトやトランスミッション3内のシャフトと連結してもよい。さらに、バッテリ７の電圧は、普通乗用車の１２Ｖ系以外の、例えば２４Ｖ系や４２Ｖ系でもよく、蓄電装置100は、エンジンルーム以外のトランクルームや車室内などに搭載してもよい。
図２は、図１に示した本発明による蓄電装置100とオルタネータ200のブロックを示す。図２に示すように、オルタネータ200は、３相からなるステータコイル21と磁界を発生させるフィールドコイル23を有し、ステータコイル21はダイオードからなる整流器22に各々の相が接続されており、整流器22は、ステータコイル21の交流電力を直流電力に変換する。フィールドコイル23は半導体スイッチからなる電流制御回路24に接続されており、電流制御回路24は制御装置40に接続される。制御装置40は、電流制御回路24を介し、フィールドコイル23の電流のフィールド電流Ｉｆを制御する。
電流制御回路24は、整流器22の正極直流出力に接続され、フィールド電流Ｉｆの電源を得ている。整流器22の負極直流出力と電流制御回路24は、各々車両アースに接地される。オルタネータ200は、フィールド電流Ｉｆの大小により磁界が変化し、その発電電力を変化させることから、制御装置40は、フィールド電流Ｉｆを制御することで、オルタネータ200の発電電力を制御する。
なお、以上の例では、ステータコイル21は３相であるが、２相やその他の多相電動機でもよく、整流器22はダイオード以外のＭＯＳ−ＦＥＴなどを用いてもよい。
蓄電装置100は、ウルトラキャパシタからなる蓄電池（二次電池）11と電解コンデンサからなる１次整流コンデンサ12、ＭＯＳ−ＦＥＴ13、ダイオード14、リアクトル15、フィルムコンデンサからなる２次整流コンデンサ16にて構成され、ＭＯＳ−ＦＥＴ13とダイオード14からなるアームと１次整流コンデンサ12、リアクトル15、２次整流コンデンサ16は、非絶縁型降圧コンバータを構成し、リアクトル15の出力12VOUTは、車両1の車載バッテリ7と補器8に接続される。
蓄電池11は１次整流コンデンサ12と並列に接続され、各々の正極直流出力は整流器22の出力と接続されており、蓄電池11と１次整流コンデンサ12、ダイオード14、２次整流コンデンサ16の各々の負極は、ＧＮＤ−Ｐの電気的な一点で、例えばバスバー等で接続され、車両アースに接地される。また、ＭＯＳ−ＦＥＴ13のＯＮ／ＯＦＦのためのゲート出力は制御装置40に接続され、制御装置40は、ＭＯＳ−ＦＥＴ13のＯＮ／ＯＦＦによって、蓄電池11の電力とオルタネータ200の発電電力を変換し、車載バッテリ7と補器8に電力を供給する。蓄電池11の電流センサ17の電流信号I-Signal1と出力12VOUTラインの電流センサ18の電流信号I-Signal2、蓄電池に接続した電圧信号V-Signal1、出力12VOUTラインに接続した電圧信号V-Signal2は、制御装置40に接続される。
以上の構成から、制御装置40は、オルタネータ200による回生エネルギの蓄電池11への回収と、オルタネータ200と蓄電池11の電力の車載バッテリ7と補器8への供給を制御することが可能であり、かつ、ＭＯＳ−ＦＥＴ13のＯＮ／ＯＦＦによって生じる漏れ電流は、ＧＮＤ−Ｐの電気的な一点で流れ、車両の例えば車体フレームなでに流れることがなく、漏れ電流によるＥＭＣノイズを低減することができる。
以上の例では、アームはＭＯＳ−ＦＥＴ13とダイオード14の組合せであるが、他のスイッチング素子、例えばＭＯＳ−ＦＥＴの２個の組合せ、ＩＧＢＴとダイオードの組合せ等でもよい。また、１次整流コンデンサ12と２次整流コンデンサ16は、コンデンサの種類を限定するものではなく、例えば１次整流コンデンサ12にフィルムコンデンサを、２次整流コンデンサ16に電解コンデンサなどを用いてもよく、他の種類のコンデンサを用いても可能である。同様に蓄電池11は、ウルトラキャパシタ以外の、例えば電解コンデンサを並列に多数個を接続したコンデンサユニットやリチウムイオンバッテリ等でもよい。
図３はキーＯＮからの制御動作のフローを示し、キーＯＮ後のエンジン始動において、蓄電池11の充電状態ＳＯＣと車載バッテリ7の電圧ＶＢの状態を判別し、充電状態ＳＯＣがエンジン始動限界蓄電池充電状態ＳＯＣＣＲを上回っており、かつ、電圧ＶＢがエンジン始動限界車載バッテリ電圧ＶＢＣＲを下回っているとき、制御装置40は、ＭＯＳ−ＦＥＴ13を駆動し、蓄電池11の電力を車載バッテリ7とスタータ4に供給する。このとき、制御装置40は、蓄電池11と車載バッテリ7との電圧差がＭＯＳ連続ON限界電圧ΔＶＬを上回っているときは、過剰な電流が流れないようにＭＯＳ−ＦＥＴ13を断続的にＯＮさせ、下回っているときは連続的にＯＮさせる。
スタータ4を駆動しエンジン2を始動させようとするとき、エンジン始動に至らなかったときは、数回、例えば、３回程度エンジン始動を繰返し、エンジン始動後はオルタネータ発電制御に移行する。ＭＯＳ−ＦＥＴ13の断続的ＯＮは、一定又は変動する周期にて、ＭＯＳ−ＦＥＴ13のＯＮ／ＯＦＦを繰り返し、車載バッテリ7の電圧ＶＢがある値となるように、例えば、車載バッテリ7の使用可能電圧範囲の最大値となるように制御する電圧制御である。このＭＯＳ−ＦＥＴ13の断続的ＯＮ時においては、周期的に蓄電池11と車載バッテリ7との電圧差が判別され、電圧差がＭＯＳ連続ON限界電圧ΔＶＬを下回ったときは、ＭＯＳ−ＦＥＴ13は連続的ＯＮとなる。
以上のように、車載バッテリ7の電圧がエンジン始動に対して十分でないとき、蓄電池11の電力がスタータ4と車載バッテリ7に供給され、エンジンの始動性が向上する。また、ＭＯＳ−ＦＥＴ13の駆動を連続ＯＮ、断続ＯＮを選択することで、ＭＯＳ−ＦＥＴ13とダイオード14のスイッチング損失を低減することができる。
図４は、車両1のエンジン始動後、回生エネルギの回収を行わないときのオルタネータ発電制御の制御動作のフローを示す。制御装置40は、ある周期毎に車載バッテリ7の電圧ＶＢを監視し、電圧ＶＢの車載バッテリの最大電圧ＶＢＨを上回っているときは、ＭＯＳ−ＦＥＴ13とフィールド電流ＩｆをＯＦＦし、オルタネータ200の発電を停止し、車載バッテリ7と補器8への電力の供給を停止する。
電圧ＶＢが車載バッテリ最大電圧ＶＢＨより下回っているときは、制御装置40は、蓄電池11と車載バッテリ7との電圧差がＭＯＳ連続ＯＮ限界ΔＶＬを上回っているときは、ＭＯＳ−ＦＥＴ13を断続的にＯＮさせる電圧制御とし、フィールド電流ＩｆをＯＦＦしてオルタネータ200の発電を停止する。
蓄電池11と車載バッテリ7との電圧差がＭＯＳ連続ＯＮ限界ΔＶＬ下回っているときは、ＭＯＳ−ＦＥＴ13を連続的にＯＮし、フィールド電流Ｉｆを上下させて、車載バッテリ7の電圧ＶＢがある値となるように、例えば、車載バッテリ７の使用可能電圧範囲となるようにオルタネータ200の発電量を制御する。
これにより、オルタネータ発電制御においては、蓄電池11の電圧が車載バッテリ7の電圧よりＭＯＳ連続ＯＮ限界値以上高いとき、オルタネータ200の発電が停止し、蓄電池11の電力が消費され、最終的には、ＭＯＳ−ＦＥＴ13が連続的にＯＮする状態に移行し、オルタネータの発電制御となる。こうして、ＭＯＳ−ＦＥＴ13とダイオード14のスイッチング損失を低減するか、又は生じないようにすることができる。
図５および図６は、車両1の回生エネルギを回収するときの制御動作のフローを示す。図５はフィールド電流Ｉｆによるオルタネータ200の動作のフローを示す。車両1のブレーキ制動やエンジンブレーキ制動において、蓄電池11の充電状態ＳＯＣが最大蓄電池充電状態ＳＯＣＨを下回っているとき、制御装置40は、充電状態ＳＯＣやオルタネータ200の回転数や車両速度などに応じて、マップからフィールド電流Ｉｆの設定値を決定し、フィールド電流Ｉｆを制御し、オルタネータ200の回生制御により、車両1の回生エネルギを蓄電池11に回収する。また、制御装置40は、ある時間毎に、車両のブレーキ制動やエンジンブレーキ制動の状態と蓄電池11の充電状態ＳＯＣを監視し、車両のブレーキ制動やエンジンブレーキ制動でなくなったときは、図４のオルタネータ発電制御に移行し、蓄電池11の充電状態ＳＯＣが最大蓄電池充電状態ＳＯＣＨを上回ったときは、フィールド電流ＩｆをＯＦＦする。
以上の説明では、フィールド電流Ｉｆを決定するためにマップを用いているが他の手段、例えば算出などにより決定してもよい。
図６は、ＭＯＳ−ＦＥＴ13の動作を示し、車両のブレーキ制動やエンジンブレーキ制動において、制御装置40は、車載バッテリ7の電圧ＶＢが最大車載バッテリ電圧ＶＢＨを上回っているときは、ＭＯＳ−ＦＥＴ13をＯＦＦし、車載バッテリ7と補器8への電力供給を停止し、下回っているときは、ＭＯＳ−ＦＥＴ13を断続的にＯＮさせる電圧制御とする。制御装置40は、ある時間毎に、車両のブレーキ制動やエンジンブレーキ制動の状態を監視し、車両のブレーキ制動やエンジンブレーキ制動の状態でなくなったときは、図４のオルタネータ発電制御に移行する。
以上の制御より、車両1の回生エネルギは、蓄電池11に直接的に回収される。また、この時の車載バッテリ電圧ＶＢは、ＭＯＳ−ＦＥＴ13を断続ＯＮにすることにより、一定又はある範囲に保つことが可能である。これより、蓄電池11への回収エネルギの回収は、車載バッテリ電圧ＶＢの抑制を受けることがなく、大容量の回生エネルギの回収が可能となり、車両の燃費が向上する。
以上の説明では、回生エネルギを回収するときをブレーキ制動やエンジンブレーキ制動時としているが、他の状態、例えば、エンジン負荷が比較的低い高速走行時などでもよい。
図７は、車両１のある走行条件での車両速度とオルタネータ負荷、オルタネータ発電電力、蓄電池の充電状態ＳＯＣ、車載バッテリ電圧ＶＢの推移の一例を示す。丸数字１が示すタイミングでキーＯＮ後、車両1は車速を上げて走行し、オルタネータ200は発電し、車載バッテリ7と補器8へ電力を供給する。このときの蓄電池11の充電状態ＳＯＣは低く、蓄電池11の電圧は車載バッテリ7と同等であることから、ＭＯＳ−ＦＥＴ13は連続ＯＮであり電力の変換損失は生じない。
丸数字２が示すタイミングで車両1は減速を始め、丸数字３が示すタイミングで停止する。この期間に、オルタネータ200は高負荷で発電し車両1の回生エネルギを蓄電池11に回収する。これにより、蓄電池11の充電状態ＳＯＣは上昇しその電圧も上昇する。同様に車載バッテリ7の電圧も上昇し、ＭＯＳ−ＦＥＴ13は断続ＯＮに変化し、車載バッテリ7の電圧上昇による変動は、例えば、補器8などに影響を及ぼさない電圧の範囲内となる。また、蓄電池11は、車載バッテリ7の電圧の影響を受けることなく、使用可能な充電状態ＳＯＣの範囲内にて回生エネルギの回収が可能である。回生エネルギの回収において、オルタネータ20は、負荷がほぼ一定となるように、または車両搭乗者にオルタネータの負荷変動が車両における減速動作の感覚に対し違和感を与えない程度となるように制御される。
丸数字３が示すタイミングまでの回生エネルギの回収後は、蓄電池11の充電状態ＳＯＣは高く、オルタネータ200は発電を停止し、車載バッテリ7と補器8への電力は蓄電池11から供給される。このとき、オルタネータ200の負荷は最小となり、エンジン2の負荷が減少し車両の燃費が向上する。
丸数字４が示すタイミングで、蓄電池11の充電状態ＳＯＣが想定されるＳＯＣ範囲内の最小値または車載バッテリ7の電圧と同等となり、このタイミングでオルタネータ200は発電を開始し、車載バッテリ7と補器8へ電力を供給する。このときＭＯＳ−ＦＥＴ13は連続ＯＮとなり、電力の変換損失がゼロとなる。車両では、以上の動作が繰り返される。
丸数字５が示すタイミングで、蓄電池11の充電状態ＳＯＣが高いときの回生エネルギの回収においては、図５に示した制御動作より、オルタネータ200の発電電力は、充電状態ＳＯＣが低いときに対して小さく設定され、エネルギ回収時の負荷がほぼ一定となるように、または車両搭乗者にオルタネータの負荷変動が車両における減速動作の感覚に対し違和感を与えない程度となるように制御される。
丸数字６が示すタイミングで、キーＯＦＦ後において、蓄電池11の充電状態ＳＯＣが高く電圧が高い状態のとき、例えば、人体に対して安全とされる電圧以上であったとき、蓄電池11は、放電抵抗などにより、所定の電圧、例えば、人体に対して安全とされる電圧まで放電され、その後はその充電状態ＳＯＣを保持し、次のキーＯＮ時のエンジン始動時に、保持した電力をスタータ4に供給可能としている。以上により、車両1は、大容量の回生エネルギを回収できると共に、高効率にその電力を利用するので、燃費が大いに向上する。
図８は本発明における蓄電池11の接続方法の例を示しており、その左上図において、蓄電池11の正極は、ＰチャンネルのＭＯＳ−ＦＥＴからなるスイッチ19を介して、１次整流コンデンサ12とオルタネータ200に接続され、スイッチ19の制御信号線は制御装置40に接続される。右上図は、スイッチ19を蓄電池11の負極側に配置しＮチャンネルのＭＯＳ−ＦＥＴとした例であり、下の図はスイッチ19を機械式スイッチとした例を示す。
制御装置40は、蓄電池11の電圧が異常となる状況、例えば、車両において車載バッテリの数個が直列に接続され蓄電池11の耐電圧を超える電圧が印加されたときなどは、スイッチ19を遮断する。これより、蓄電池11に耐電圧を超える領域の電圧の印加を防ぐことが可能である。以上の説明におけるスイッチ19の替わりに、他のスイッチ手段、例えばＩＧＢＴや電磁スイッチなどを用いてもよい。
図９は、本発明における非絶縁型電力変換機の構成ブロックの一例を示し、ＭＯＳ−ＦＥＴ13a,13bとダイオード14a,14bからなる２つのアームは、それぞれ、リアクトル15a,15bと接続され、リアクトル15a,15bの各々の他端は、２次整流コンデンサ16に接続され、２つのアームはそれぞれ１次整流コンデンサ12に並列に接続される。ＭＯＳ−ＦＥＴ13a,13bのゲートは制御装置40に接続され、制御装置40はゲートによりＭＯＳ−ＦＥＴ13a,13bをＯＮ／ＯＦＦ制御する。このとき、制御装置40は、図１０に示すように、ＭＯＳ−ＦＥＴ13aのＯＮ／ＯＦＦと、ＭＯＳ−ＦＥＴ13bのＯＮ／ＯＦＦが、概略１８０度の位相となるように制御する。
こうして、ＭＯＳ−ＦＥＴ13a,13bのスイッチングにより生じる２次整流コンデンサ16のリプル電流が小さくなり、２次整流コンデンサ16を小さくすることが可能である。また、ＭＯＳ−ＦＥＴ13a,13b、ダイオード14a,14b、リアクトル15a,15bの何れかに、例えば接続不良などのトラブルが生じたとき、一方のアームとリアクトルを介して、オルタネータ200または蓄電池11の電力を車載バッテリ7と補器8へ供給することが可能である。
図１１は、本発明に係る蓄電装置を搭載した別の車両を示す。図１１において、車両1Aは、図１に図示した車両1におけるオルタネータ200の替わりに、エンジン2または車輪6A,6Ｂを直接駆動したり発電したりする３相交流電動機からなるモータジェネレータ30と、モータコントローラ500を搭載している。
モータコントローラ500は、モータジェネレータ30の発電と駆動力を制御し、モータジェネレータ30の交流発電電力を直流電力へ変換し、蓄電装置100への回生エネルギの回収と、蓄電装置100を介して車載バッテリ7と補器8に電力を供給したり、あるいは蓄電装置100または車載バッテリ7の直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ30に供給したりする。 図１１に示されたその他の構成部品は、図１に示したものと同じである。
図１１に示した例では、エンジンが前輪6A,6Bを駆動する車両であるが、本発明の適用は、これに限定されるものではなく、エンジンが後輪10A,10Bを駆動する車両や４輪を駆動する車両でもよく、更に６輪以上を有するトラックやトレーラのような牽引車両でもよい。また、図１１の例では、モータジェネレータ30は、エンジン2とベルト9によって連結されているが、他の手段、例えばチェーンでもよく、また、モータジェネレータ30を、トランスミッション3とエンジン2に間に搭載して、クランクシャフトやトランスミッション3内のシャフトと連結してもよい。
バッテリ7の電圧は、従来車両の１２Ｖ系以外、例えば２４Ｖ系や４２Ｖ系でもよく、蓄電装置100は、エンジンルーム以外のトランクルームや車室内などに搭載してもよい。なお、車両1Aは、モータジェネレータ30又はスタータ4を用いてエンジン2を始動するものであるが、本発明は、エンジン2の始動にモータジェネレータ30のみを用いる車両においても適用可能であり、その場合、スタータ4はなくともよい。モータジェネレータ30は、３相交流電動機の替わりに、２相や多相電動機等を用いてもよく、また、巻線界磁型電動機を用いてもよい。
図１２は、図１１に示したモータコントローラ500の回路ブロックを示す。モータコントローラ500は、ＭＯＳ−ＦＥＴからなる半導体装置51と、半導体装置の直流出力側に接続された電解コンデンサからなるコンデンサ52と、半導体装置51を駆動する駆動回路53と、駆動回路53を制御する制御回路54からなる。
モータジェネレータ30の各相コイルは半導体装置51に接続され、コンデンサ52と半導体装置51の直流出力の負極側は、車両のアースに接地される。制御回路54は、モータジェネレータ30に取り付けられたモータジェネレータ30の位置センサ56、モータジェネレータ30の各相の電流を検出する電流センサ55a〜55cからの各信号を受け、駆動回路53を介して半導体装置51を駆動して、モータジェネレータ30の発電と駆動力を制御する。
以上の説明において、図１２に示す例では、半導体装置51は、ＭＯＳ−ＦＥＴで構成されているが、他のスイッチング素子、例えばＩＧＢＴとフライホイールダイオードから構成してもよく、コンデンサ52は、例えばフィルムコンデンサなどを用いてもよい。図１２に示す例では、電流センサ55a〜55cは３個であるが、２個でも対応可能であり、また、電流センサの替わりに、例えばシャント抵抗を用いてもよい。位置センサ56に替えて、例えばホールＩＣを用いてもよい。コンデンサ52と半導体装置51の直流出力の負極側は、図２に示す蓄電装置100のＧＮＤ−Ｐに接続してもよい。また、モータジェネレータ30に巻線界磁型電動機を用いて、モータコントローラ500がスイッチング素子などからなる電流制御回路を有して巻線電流を制御するようにしてもよい。
図１３は車両1Aのエンジン始動時の制御動作のフローを示す。車両1Aは、アイドルストップ機能（車速が０になるとアイドリングを停止する機能）を有しており、キーＯＮ及びアイドルストップ後のアイドルスタートのとき、蓄電池11のＳＯＣとエンジン2の冷却水温度、車載バッテリ7の電圧などから、スタータ4、又はモータジェネレータ30、又はスタータ4とモータジェネレータ30によるエンジン始動を選択する。例えば、蓄電池11のＳＯＣが、エンジン始動におけるモータジェネレータ30の必要電力と必要駆動力に対して、十分であるときは、モータジェネレータ30によるエンジン始動が選択される。なお、スタータ4による始動が選択されたときは、図３と同じ制御動作により、蓄電池11の電力がスタータ4に供給される。これより、車両1Aのエンジン始動性は向上する。なお、アイドルストップ機能を有さない車両でも適用可能である。
図１４は、車両１Ａのエンジン始動後、回生エネルギの回収を行わないときの制御動作のフローを示す。ここでは、図４のオルタネータをモータジェネレータに置き換えただけであり、同じ動作となる。これにより、エンジン始動後、及び、回生エネルギの回収を行わないときは、蓄電池11の電力が消費され、最終的には、ＭＯＳ−ＦＥＴ13が連続的にＯＮし、モータジェネレータ30の発電制御となる。これより、ＭＯＳ−ＦＥＴ13とダイオード14のスイッチング損失が低減もしくは生じない。
図１５および１６は、車両１Ａの回生エネルギを回収するときの制御動作を示す。ここでは、図５のオルタネータをモータジェネレータに置き換えただけであり、同じ動作となる。マップはモータジェネレータの発電量を決定する。ただし、モータジェネレータの発電を決定するために、マップに替えて他の手段、例えば算出により決定してもよい。
以上の制御より、車両の回生エネルギは蓄電池11に直接的に回収される。また、この時の車載バッテリ電圧ＶＢは、ＭＯＳ−ＦＥＴ13を断続ＯＮにより、一定に保つことが可能である。これより、蓄電池11へのエネルギの回収は、車載バッテリ電圧の抑制を受けることがなく、大容量のエネルギ回収が可能となる。
なお、上記の説明では、回生エネルギを回収するときをブレーキ制動やエンジンブレーキ制動の際の減速時としているが、他の状態、例えばエンジン負荷が比較的低い高速走行時などでもよい。
以上から、車両1Aは車両1と同様の効果を得る。ある走行条件での車速とオルタネータ負荷、オルタネータ発電電力、蓄電池ＳＯＣ、車載バッテリ電圧の推移は図７と同様となり、大容量の回生エネルギが可能であり、電力変換損失が低減される。また、図７において、車速ゼロとなる期間において、車両1Aはアイドルストップする。走行を開始するときのエンジン始動時において、蓄電池ＳＯＣは回収した回生エネルギによって高い状態が保持されており、同様に蓄電池電圧も高い状態を得ることから、モータジェネレータ30によるエンジン始動が図１３により選択された場合、モータジェネレータ30の印加電圧は高くなり、モータジェネレータ30の高出力駆動が可能である。よって、アイドルストップ後のエンジン始動時に、エンジン回転数を例えばエンジンのアイドル回転数まで上げてから燃料を供給することや、エンジン始動前にモータジェネレータ30による走行が可能となる。
車両１Ａにおいて、図８及び図９に示した構成も適用可能であり、同様の効果を奏する。
図１７は、蓄電装置100の制御装置40とモータコントローラの制御回路54とそれらの上位コントローラであるコントロールユニット600の通信方法の一例を示す図であり、制御装置40と制御回路54とコントロールユニット600は、ＣＡＮラインを介して、相互に通信する。これより、コントロールユニット600は、制御装置40と制御回路54を介して蓄電装置100とモータジェネレータ30の制御が可能であり、上述した車両1Aの制御動作を容易に制御可能である。以上の説明では、コントロールユニット600を用いているが、蓄電装置100とモータジェネレータ30の制御においては、必ずしも必要でなく、制御装置40が制御回路54を介してモータジェネレータ30を制御、制御回路54が制御装置40を介して蓄電装置100を制御してもよい。また、ＣＡＮ以外の通信手段、例えば、シリアル通信などを用いてもよい。
本発明による蓄電装置を搭載した車両（実施例１）を示す。 図１に示した本発明による蓄電装置100とオルタネータ200のブロックを示す。 車両のキーＯＮからの制御動作のフローを示す。 車両のエンジン始動後、回生エネルギの回収を行わないときのオルタネータ発電制御の制御動作のフローを示す。 車両の回生エネルギを回収するときの、フィールド電流Ｉｆによるオルタネータの動作のフローを示す。 車両の回生エネルギを回収するときの、ＭＯＳ−ＦＥＴ13の動作を示す。 車両のある走行条件での車両速度等の各種状態の推移の一例を示す。 本発明における蓄電池11の接続方法の例を示す。 本発明における非絶縁型電力変換機の構成ブロックの他例を示す。 ＭＯＳ−ＦＥＴ13aのＯＮ／ＯＦＦと、ＭＯＳ−ＦＥＴ13bのＯＮ／ＯＦＦの波形を示す。 本発明に係る蓄電装置を搭載した別の車両（実施例２）を示す。 図１１に示したモータコントローラ500の回路ブロックを示す。 図１１に示した車両のエンジン始動時の制御動作のフローを示す。 図１１に示した車両のエンジン始動後、回生エネルギの回収を行わないときの制御動作のフローを示す。 図１１に示した車両の回生エネルギを回収するときのＭ／Ｇ制御動作のフローを示す。 図１１に示した車両の回生エネルギを回収するときのＭＯＳ−ＦＥＴ制御動作のフローを示す。 蓄電装置100の制御装置40とモータコントローラの制御回路54とそれらの上位コントローラであるコントロールユニット600の通信方法の一例を示す。
符号の説明
1…車両（移動体）、2…エンジン、3…トランスミッション、4…スタータ、7…車載バッテリ、8…補器類、9…ベルト、11…蓄電池、12…一次整流コンデンサ、13…スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）、14…スイッチング素子（ダイオード）、15…リアクトル、16…二次整流コンデンサ、17,18…電流センサ、19…スイッチング素子、21…ステータコイル、22…整流器、23…フィールドコイル、24…電流制御回路、40…制御装置、100…蓄電装置、200…オルタネータ

Claims (16)

  1. エンジンの動力により回転して交流電力を発電し、該交流電力を直流電力に変換する整流器を備えた発電機又はモータジェネレータと一方で連結され、他方で車載バッテリ及び補器と連結される蓄電装置の制御装置であって、
    直列に接続された第１及び第２のスイッチング素子を備えたアームと、
    前記第１及び第２のスイッチング素子と並列に接続された蓄電池と、
    前記第１及び第２のスイッチング素子と並列に接続された１次整流コンデンサと、
    前記第１及び第２のスイッチング素子の接続部に一端が接続され、他端が前記車載バッテリ及び前記補器への出力端子に接続されるリアクトルと、
    前記リアクトルの出力端子側に接続された２次整流コンデンサと、
    前記第１のスイッチング素子をスイッチングする制御部を備えて、
    前記制御部は、前記蓄電池の充電状態がエンジン始動に必要な充電状態以上であり、かつ車載バッテリの電圧がエンジン始動に必要なバッテリ電圧以下である場合に、前記第１のスイッチング素子をオンすることを特徴とする蓄電装置の制御装置。
  2. エンジンの動力により回転して交流電力を発電し、該交流電力を直流電力に変換する整流器を備えた発電機又はモータジェネレータと一方で連結され、他方で車載バッテリ及び補器と連結される蓄電装置の制御装置であって、
    直列に接続された第１及び第２のスイッチング素子を備えたアームと、
    前記第１及び第２のスイッチング素子と並列に接続された蓄電池と、
    前記第１及び第２のスイッチング素子と並列に接続された１次整流コンデンサと、
    前記第１及び第２のスイッチング素子の接続部に一端が接続され、他端が前記車載バッテリ及び前記補器への出力端子に接続されるリアクトルと、
    前記リアクトルの出力端子側に接続された２次整流コンデンサと、
    前記第１のスイッチング素子をスイッチングする制御部を備えて、
    前記制御部は、前記蓄電池の電圧から前記車載バッテリの電圧を減じた電圧差が、所定の値以下となった場合には。前記第１のスイッチング素子を連続的にオンし、
    前記電圧差が所定の値以上である場合には前記第１のスイッチング素子を断続的にオンすることを特徴とする蓄電装置の制御装置。
  3. 請求項２に記載された蓄電装置の制御装置において、
    車体に設置される端子であって、前記アーム、前記蓄電池、前記１次整流コンデンサ及び前記２次整流コンデンサの一方の端子が電気的に一点で接続される端子を有することを特徴とする蓄電装置の制御装置。
  4. 請求項２に記載された蓄電装置の制御装置において、
    前記制御部は、前記車載バッテリの電圧が所定の車載バッテリ最大電圧以上である場合、前記第１のスイッチング素子をオフにして、前記車載バッテリと前記補器への電力の供給を停止し、
    前記車載バッテリの電圧が所定の車載バッテリ最大電圧以下である場合において、更に、
    前記蓄電池電圧から前記車載バッテリの電圧を減じた電圧差が、所定の値以上である場合には前記第１のスイッチング素子を断続的にオンすると共に発電を停止し、
    前記電位差が、前記所定の値以下である場合には前記第１のスイッチング素子を連続的にオンすると共に発電量を調整する制御を行うことを特徴とする蓄電装置の制御装置。
  5. 請求項２に記載された蓄電装置の制御装置において、
    前記制御部は、前記蓄電池の充電状態がエンジン始動に必要な充電状態以上であり、かつ車載バッテリの電圧がエンジン始動に必要なバッテリ電圧以下である場合に、前記第１のスイッチング素子をオンして、前記蓄電池の電力を前記車載バッテリに接続されたスタータに供給することを特徴とする蓄電装置の制御装置。
  6. 請求項１から５のいずれか一項に記載された蓄電装置の制御装置において、
    直列に接続された第１及び第２のスイッチング素子を備えた前記アームを２本備え、
    前記第１及び第２のスイッチング素子の接続部に一端が接続され、他端が前記車載バッテリ及び前記補器への出力端子に接続される前記リアクトルを２個備え、２個の第１のスイッチング素子の位相を略１８０度としたことを特徴とする蓄電装置の制御装置。
  7. エンジンに連結されて、該エンジンの動力により回転して交流電力を発電し、該交流電力を直流電力に変換する整流器を備え、巻線からなる界磁巻線を備えた巻線界磁型の発電機又はモータジェネレータと、
    前記発電機と一方で連結され、他方で車載バッテリ及び補器と連結される蓄電装置であって、
    直列に接続された第１及び第２のスイッチング素子を備えたアームを備え、
    前記第１及び第２のスイッチング素子と並列に接続された蓄電池と、
    前記第１及び第２のスイッチング素子と並列に接続された１次整流コンデンサと、
    前記第１及び第２のスイッチング素子の接続部に一端が接続され、他端が前記車載バッテリ及び前記補器への出力端子に接続されるリアクトルと、
    前記リアクトルの出力端子側に接続された２次整流コンデンサと、
    前記第１のスイッチング素子を発電及び蓄電スイッチングする制御部と、
    を備えた蓄電装置とから構成されるユニットであって、
    前記制御部は、前記蓄電池の充電状態が、エンジン始動に必要な充電状態以上であり、かつ、車載バッテリの電圧がエンジン始動に必要なバッテリ電圧以下である場合に、前記第１のスイッチング素子をオンすることを特徴とする発電及び蓄電ユニット。
  8. エンジンに連結されて、該エンジンの動力により回転して交流電力を発電し、該交流電力を直流電力に変換する整流器を備え、巻線からなる界磁巻線を備えた巻線界磁型の発電機又はモータジェネレータと、
    前記発電機と一方で連結され、他方で車載バッテリ及び補器と連結される蓄電装置であって、
    直列に接続された第１及び第２のスイッチング素子を備えたアームを備え、
    前記第１及び第２のスイッチング素子と並列に接続された蓄電池と、
    前記第１及び第２のスイッチング素子と並列に接続された１次整流コンデンサと、
    前記第１及び第２のスイッチング素子の接続部に一端が接続され、他端が前記車載バッテリ及び前記補器への出力端子に接続されるリアクトルと、
    前記リアクトルの出力端子側に接続された２次整流コンデンサと、
    前記第１のスイッチング素子を発電及び蓄電スイッチングする制御部と、
    を備えた蓄電装置とから構成されるユニットであって、
    前記制御部は、前記蓄電池の電圧から前記車載バッテリの電圧を減じた電圧差が、所定の値以下となった場合には前記第１のスイッチング素子を連続的にオンし、
    前記電圧差が所定の値以上である場合には前記制御装置は前記第１のスイッチング素子を断続的にオンすることを特徴とする発電及び蓄電ユニット。
  9. 請求項８に記載された発電及び蓄電ユニットにおいて、
    車体に設置される端子であって、前記アーム、前記蓄電池、前記１次整流コンデンサ及び前記２次整流コンデンサの一方の端子が電気的に一点で接続される端子を有することを特徴とする発電及び蓄電ユニット。
  10. 請求項８に記載された発電及び蓄電ユニットにおいて、
    前記制御部は、前記蓄電池の充電状態が、エンジン始動に必要な充電状態以上であり、かつ、車載バッテリの電圧がエンジン始動に必要なバッテリ電圧以下である場合に、前記第１のスイッチング素子をオンして、前記蓄電池の電力を前記車載バッテリに接続されたスタータに供給することを特徴とする発電及び蓄電ユニット。
  11. 請求項８に記載された発電及び蓄電ユニットにおいて、
    前記制御部は、前記車載バッテリの電圧が所定の車載バッテリ最大電圧以上である場合、前記第１のスイッチング素子をオフにして、前記車載バッテリと前記補器への電力の供給を停止し、
    前記車載バッテリの電圧が所定の車載バッテリ最大電圧以下である場合において、更に、
    前記蓄電池電圧から前記車載バッテリの電圧を減じた電圧差が、所定の値以上である場合には、前記第１のスイッチング素子を断続的にオンすると共に発電を停止し、
    前記電位差が、前記所定の値以下である場合には前記制御装置は前記第１のスイッチング素子を連続的にオンすると共に発電量を調整する制御を行うことを特徴とする発電及び蓄電ユニット。
  12. 請求項７から１１のいずれか一項に記載された発電及び蓄電ユニットにおいて、
    直列に接続された第１及び第２のスイッチング素子を備えた前記アームを２本備え、
    前記第１及び第２のスイッチング素子の接続部に一端が接続され他端が前記車載バッテリ及び前記補器への出力端子に接続される前記リアクトルを２個備え、２個の第１のスイッチング素子の位相を略１８０度としたことを特徴とする発電及び蓄電ユニット。
  13. 請求項１から１２に記載された蓄電装置又は発電及び蓄電ユニットを搭載した移動体において、
    前記移動体が減速する時に、
    前記蓄電池の充電状態が最大蓄電池充電状態を下回る場合、前記蓄電池の充電状態、発電機又はモータジェネレータの回転数、車両速度等の状態変数に基づいて、フィールド電流を制御することにより発電機又はモータジェネレータを回生制御することにより、前記移動体の回生エネルギを蓄電池に回収することを特徴とする移動体。
  14. 請求項３又は９に記載された蓄電装置又は発電及び蓄電ユニットを搭載した移動体において、
    前記端子が前記移動体の車体に接続されていることを特徴とする移動体。
  15. 請求項１３又は１４に記載された移動体において、
    前記移動体が減速する時に、
    前記蓄電池の充電状態が最大蓄電池充電状態を上回る場合、
    フィールド電流をオフにして移動体の回生エネルギによる発電をオフとすることを特徴とする移動体。
  16. 請求項１３又は１４に記載された移動体において、
    前記移動体が減速する時に、
    車載バッテリの電圧が、最大車載バッテリ電圧を上回る場合には、前記第１のスイッチング素子をオフし、下回る場合には、前記第１のスイッチング素子を断続的にオンさせることを特徴とする移動体。
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