| 【発明の名称】 |
車両用電源装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】竹本 明
【氏名】定平 誠二
【氏名】瀬尾 宣英
【氏名】吉野 道夫
【氏名】水島 善夫
【氏名】赤星 英明
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| 【要約】 |
【課題】キャパシタの電力を効率良く使用する車両用電源装置の提供。
【解決手段】バッテリ４とＰＣ５との電気的な接続状態を、ＰＣ５の充電量に応じて、切り替えユニット１のスイッチング素子Ｑ１乃至Ｑ４の動作状態をＥＣＵ１０によって制御することにより、直列接続または並列接続に切り替えると共に、並列接続に切り替えたときには、ＰＣ５の端子電圧の降下に応じてスイッチング素子Ｑｓ１及びＱｓ２のスイッチング周波数を制御することにより、切り替えユニット１の端子Ｔ３における昇圧動作も実行する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 高電力を充放電可能なバッテリと、該バッテリと比較して小電力を短時間で充放電可能なキャパシタとを備える車両用電源装置であって、前記キャパシタの使用状態を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された使用状態に応じて、前記バッテリと前記キャパシタとの電気的な接続状態を、直列接続または並列接続に切り替える切り替え制御手段と、を備えることを特徴とする車両用電源装置。
【請求項２】 前記検出手段は、前記キャパシタの使用状態として、該キャパシタの端子電圧を検出しており、前記切り替え制御手段は、前記バッテリと前記キャパシタとの電気的な接続状態を、前記キャパシタの放電時の端子電圧が所定値より大きいときには並列接続に切り替えると共に、該所定値より小さいときには直列接続に切り替えることを特徴とする請求項１記載の車両用電源装置。
【請求項３】 前記切り替え制御手段は、前記キャパシタの端子電圧を、前記並列接続状態において前記バッテリの端子電圧より大きな電圧に昇圧する昇圧手段を含むことを特徴とする請求項２記載の車両用電源装置。
【請求項４】 前記検出手段は、前記キャパシタの使用状態として、回生電力の供給が前記該キャパシタに対して行われているか否かを検出しており、前記切り替え制御手段は、回生電力の供給が行われていることが前記検出手段によって検出されたときに、前記バッテリと前記キャパシタとの電気的な接続状態を並列接続に切り替えることを特徴とする請求項１記載の車両用電源装置。
【請求項５】 更に、前記車両用電源装置が搭載された車両が登坂走行を行っているか否かを検出する登坂走行検出手段を備え、前記切り替え制御手段は、前記登坂走行検出手段によって登坂走行中であることが検出されたときに、前記バッテリと前記キャパシタとの電気的な接続状態を直列接続に切り替えることを特徴とする請求項１記載の車両用電源装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、電気自動車等の駆動モジュールに適用して好適な車両用電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、電気自動車等の車両の駆動モジュールには、三相交流モータを駆動するインバータに電力を供給する電源装置として、バッテリと、そのバッテリの電力を補うパワー供給用キャパシタ（以下、ＰＣ）とが搭載されており、これにより、電気自動車の加速性能を改善する技術が採用されている。
【０００３】図７は、車両用電源装置に採用されるバッテリとパワー供給用キャパシタの一般的な出力特性を示す図であり、充電状態（ＳＯＣ：State of Charge）が定格の１００％程度に十分蓄電されている状態においては、ＰＣの端子電圧の方がバッテリの端子電圧より高いため、放電開始初期においてはバッテリの電力を補い加速性能を改善することができる。
【０００４】しかしながら、ＰＣの充電容量はバッテリの充電容量と比較して小さな容量であるため、放電（モータの駆動）を続けるとほどなくＰＣの端子電圧は急速に低下し、バッテリの端子電圧より低くなってしまうため、ＰＣ内のエネルギを効率良く使い切ることができない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】そこで、例えば特開平９−３２２３１４号には、図８に示すように、バッテリ１０４とＰＣ１０５とをモータ１０３の制御用インバータ１０２に並列に接続すると共に、コンバータ（昇圧回路）１０１によってＰＣ電圧がバッテリ電圧より小さくなることを防止する技術が提案されている。この昇圧技術は、サイリスタ等のスイッチング素子ＱＳによってＰＣ１０５の通電を断続させ、これによりコイル（ＤＣＬ）に生じる過渡電流を利用して、コンバータ１０１の出力端子電圧を昇圧する技術であり、放電の継続によってＰＣの端子電圧が低下するのに応じてスイッチング素子ＱＳをスイッチングさせれば、ＰＣ１０５に充電されているエネルギを効率良く使い切ることができる。しかしながら、コンバータ１０１によって当該機能を実現するためにはＤＣＬの容量をかなり大きくする必要があり、重量増加の一因となることから、移動体である電気自動車に採用するのは現実的でない。
【０００６】また、図９に示すように、切り替えボックス２０１に設けたスイッチング素子ＱＡ，ＱＢを適宜オン・オフさせるにより、力行時には、バッテリ２０４とＰＣ２０５とを直列接続で放電させると共に、ＰＣ２０５の出力電圧が０Ｖに近づいたらバッテリ２０４だけを選択し、電力回生時には、ＰＣ２０５だけをインバータ２０２に接続すると共に、ＰＣ２０５の出力電圧が所定の上限値に近づいたらバッテリ２０４だけを選択する技術が提案されており、この技術によれば、重量増加の要因となるＤＣＬを搭載することなく、ＰＣ２０５のエネルギを使い切ることができるが、ＰＣ２０５には常時電流が流れるため、転極や過電流を防止するためのバイパス回路が別途必要であり、充電時の制約も多い。
【０００７】そこで本発明は、キャパシタの電力を効率良く使用する車両用電源装置の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するため、本発明に係る車両用電源装置は、以下の構成を特徴とする。
【０００９】即ち、例えば化学反応を利用して高電力を充放電可能なバッテリと、該バッテリと比較して小電力を短時間で充放電可能なキャパシタとを備える車両用電源装置であって、前記キャパシタの使用状態を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された使用状態に応じて、前記バッテリと前記キャパシタとの電気的な接続状態を、直列接続または並列接続に切り替える切り替え制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】また、例えば前記検出手段が、前記キャパシタの使用状態として該キャパシタの端子電圧を検出している場合において、前記切り替え制御手段は、前記バッテリと前記キャパシタとの電気的な接続状態を、前記キャパシタの放電時の端子電圧が所定値より大きいときには並列接続に切り替えると共に、該所定値より小さいときには直列接続に切り替えると良い。
【００１１】また、前記切り替え制御手段は、前記キャパシタの端子電圧を、前記並列接続状態において前記バッテリの端子電圧より大きな電圧に昇圧する昇圧手段を含むと良い。
【００１２】また、例えば前記検出手段が、前記キャパシタの使用状態として回生電力の供給が前記該キャパシタに対して行われているか否かを検出している場合において、前記切り替え制御手段は、回生電力の供給が行われていることが前記検出手段によって検出されたときに、前記バッテリと前記キャパシタとの電気的な接続状態を並列接続に切り替えると良い。
【００１３】また、例えば前記車両用電源装置が搭載された車両が登坂走行を行っているか否かを検出する登坂走行検出手段（例えばナビゲーションユニット等）を更に備える場合において、前記切り替え制御手段は、前記登坂走行検出手段によって登坂走行中であることが検出されたときに前記バッテリと前記キャパシタとの電気的な接続状態を直列接続に切り替えると良い。
【００１４】
【発明の効果】上記の本発明によれば、キャパシタの電力を効率良く使用する車両用電源装置の提供が実現する。
【００１５】即ち、請求項１の発明によれば、前記バッテリと前記キャパシタとの電気的な接続状態が、例えば前記キャパシタの放電時の端子電圧に応じて並列接続または直列接続に切り替えられるため（請求項２）、そのキャパシタの電力を効率良く使用することができる。
【００１６】また、請求項３の発明によれば、並列接続状態において前記キャパシタの端子電圧が前記バッテリの端子電圧より大きい状態に維持されるため、前記キャパシタ内の電気エネルギを効率良く放電させることができる。
【００１７】また、請求項４の発明によれば、外部より入力された回生電力を、前記バッテリと比較して短時間で充放電可能な前記キャパシタに効率良く充電することができる。
【００１８】また、請求項５の発明によれば、充電性能の効率を向上しつつ、動力性能に優れた登坂走行を行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る車両用電源装置を、電気自動車の駆動モジュールに適用した実施形態として、図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】図１は、本実施形態における車両用電源装置のシステム構成を示す図である。
【００２１】同図において、インバータ２は、三相交流モータ３の回転を制御する。バッテリ４は、高電力を化学反応を利用して充放電可能な主電源であり、インバータ２の入力端子に接続されると共に、切り替えユニット１の端子Ｔ３及びＴ４にも接続されいる。ＰＣ５は、バッテリ４と比較して小電力を短時間で充放電可能な電気２重層コンデンサ等を利用した補助電源であり、切り替えユニット１の端子Ｔ１及びＴ２に接続されいる。切り替えユニット１は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０の制御に従って、バッテリ４とＰＣ５との電気的な接続状態を、直列接続または並列接続に切り替えることができる。
【００２２】即ち、切り替えユニット１には、ＰＣ５の通電を断続させるサイリスタ等のスイッチング素子Ｑｓ１及びＱｓ２、その断続する電流によって過渡電流を発生させるコイル（ＤＣＬ）、そして、バッテリ４とＰＣ５とを直列接続または並列接続に切り替えるスイッチング素子Ｑ１乃至Ｑ４が設けられている。これらのスイッチング素子は、ＥＣＵ１に備えられたマイクロコンピュータ（不図示）により、後述する如く適宜オン・オフが制御され、これにより、ＰＣ５の端子電圧の昇圧動作、並びにバッテリ４及びＰＣ５の接続切り替え動作が実現する。
【００２３】次に、並列接続と直列接続とを切り替えるタイミングについて説明する。
【００２４】図４は、本実施形態における車両用電源装置の回路切り替え動作とＰＣの端子電圧との関係を説明する図であり、同図に示す負の傾きの直線は、放電を継続するのに応じて端子電圧が低下する一般的なパワー供給用キャパシタの出力特性を示す。
【００２５】本実施形態では、係る出力特性を有するＰＣ５の端子電圧が、所定の上限値にある充電状態（即ち、ＳＯＣが定格の１００％程度に十分蓄電されている状態）から放電（モータ３の駆動）が継続されることにより、ＰＣ５の端子電圧が所定のしきい値Ｖ１に低下するまではバッテリ４とＰＣ５とを並列に接続しておき、当該しきい値Ｖ１より小さくなったときには、バッテリ４とＰＣ５とを直列接続に切り替えて使用する。この場合、当該しきい値Ｖ１は、バッテリ４の端子電圧より大きく設定しておけば、並列接続時にはバッテリ４の端子電圧よりＰＣ５の端子電圧が高く、直列接続時にはバッテリ４の端子電圧とＰＣ５の端子電圧とが加算された状態となるため、何れの接続状態においてもＰＣ５内に充電されているエネルギを効率良く放電させることができる。
【００２６】また、しきい値Ｖ１は、大きな値に設定する程、ＤＣＬの容量及び物理的な大きさを小さくすることができるため、軽量化を求められる移動体の電源装置としては望ましい。しかしながら、並列接続から直列接続に切り替えた際には、インバータ２に印加される入力電圧が、並列状態における合成電圧から、バッテリ４の端子電圧とＰＣ５の端子電圧（＝しきい値Ｖ１）との加算電圧に急変することになるため、当該しきい値Ｖ１を大きな値に設定する程、インバータ２には大きな電位差が印加されてしまうため、インバータ２に悪影響を与えると共に、車両の乗り心地に影響を与えるモータ３のトルク変動の要因ともなる。従って、しきい値Ｖ１の設定については、インバータ２の定格（性能）により許容される範囲であって、且つ体感的に許容されるトルク変動の範囲内で、できるだけ大きな電圧値とすると良い。
【００２７】次に、並列接続時及び直列接続時の動作状態について説明する。
【００２８】図２は、本実施形態における車両用電源装置の並列接続時の電流の流れを説明する図であり、このときの放電電流の流れを、図２に矢印で示す。
【００２９】同図において、スイッチング素子Ｑ１はオフ状態、スイッチング素子Ｑ２は導通状態、スイッチング素子Ｑ３はオフ状態、そして、スイッチング素子Ｑ４は導通状態に設定されることにより、バッテリ４とＰＣ５とは、電気的に並列接続の状態にある。
【００３０】また、この並列接続の状態において、スイッチング素子Ｑｓ１及びＱｓ２は、ＰＣ５の端子電圧が低下するのに応じてスイッチングを繰り返す。これにより、そのスイッチング動作に応じてＰＣ５の通電がＤＣＬにおいて断続される状態となり、ＤＣＬには過渡電流が生じるため、ＰＣ５の端子電圧は昇圧された状態となり、且つ上記のようにスイッチング素子Ｑ２は導通状態に設定されているため、切り替えユニット１の端子Ｔ３における端子電圧は、常にバッテリ４の端子電圧より高い状態に維持される。
【００３１】図３は、本実施形態における車両用電源装置の直列接続時の電流の流れを説明する図であり、このときの放電電流の流れを、図３に矢印で示す。
【００３２】同図において、スイッチング素子Ｑ１はオフ状態、スイッチング素子Ｑ２はオフ状態、スイッチング素子Ｑ３は導通状態、そして、スイッチング素子Ｑ４はオフ状態に設定されると共に、スイッチング素子Ｑｓ１及びＱｓ２は、何れもオフ状態に設定されることにより、バッテリ４とＰＣ５とは、電気的に直列接続の状態にある。
【００３３】このように、バッテリ４とＰＣ５との電気的な接続状態を、ＰＣ５の充電量に応じて、切り替えユニット１によって直列接続、または並列接続に切り替えれば、ＰＣ５の電気エネルギを効率良く使用する（使い切る）ことができる。
【００３４】次に、上述した切り替えユニット１による電源切り替え制御を、電気自動車の登坂走行時に適用した場合について説明する。
【００３５】図５は、本実施形態における車両用電源装置を搭載した電気自動車の登坂走行時の電源切り替え制御を説明する図である。
【００３６】まず、アクセル開度αの変化量が略０の定常走行時においては、並列接続を選択すると共に、登坂走行を開始した初期の段階においては、一般に、同図に示すように乗員によるアクセル開度αの変化量が大きくなるため、要求される走行出力（登坂能力）を実現すべく、並列接続から直列接続に切り替える。
【００３７】そして、登坂走行が終了する後期の段階においては、乗員はアクセル開度αを、登坂走行を開始する以前の定常走行時のアクセル開度、或いはその開度より小さなアクセル開度にまで抑制するのが一般的であるため、このタイミングで直列接続から並列接続に切り替える。
【００３８】図６は、本実施形態における車両用電源装置を搭載した電気自動車の電源切り替え処理を示すフローチャートであり、ＥＣＵ１０の不図示のＣＰＵが実行する制御手順を示す。
【００３９】同図において、ステップＳ１〜ステップＳ３：不図示のナビゲーションユニットからナビゲーション情報（或いは道路側のインフラから道路に関する情報を入手しても良い）を入手し（ステップＳ１）、その入手した情報に基づいて、自車両が登坂走行を行っているか否かを判断し（ステップＳ２）、この判断でＮＯのとき（登坂走行は行っていないとき）にはステップＳ１０に進み、ＹＥＳ（登坂走行中）のときには、当該入手情報に基づいて現在走行中の登坂の長さを判定する（ステップＳ３）。
【００４０】尚、ステップＳ３における登坂の長さ判定は、現在までの所定期間におけるアクセル開度αの移動平均値を制御周期毎に算出すると共に、ある程度の長さを越える登り坂を走行するときにはアクセルを大きく踏み込むというドライバの一般的な運転特性を利用して、その算出した移動平均値が所定値を越えた場合には長い登坂であると判断しても良い。
【００４１】ステップＳ４，ステップＳ５：ステップＳ３にて判定した登坂の長さが所定距離より長いか否かを判断し（ステップＳ４）、この判断でＮＯのとき（登坂が所定距離より短いとき）にはステップＳ１０に進み、ＹＥＳのとき（登坂が所定距離より長いとき）には、所定期間におけるアクセル開度αの変化量が所定値Δαより大きいか否かを判断する（ステップＳ５）。
【００４２】ステップＳ６：ステップＳ５にてアクセル開度αの変化量が所定値Δαより小さいと判断されたので、本ステップでは、内部フラグＦＬが１であるかを判断し、この判断でＮＯ（ＦＬ＝０）のときにはステップＳ１０に進み、ＹＥＳ（ＦＬ＝１）のときにはステップＳ７に進む。この内部フラグＦＬは、前回の制御周期におけるステップＳ５の判断でアクセル開度αの変化量が所定値Δαを越えていたことを記憶するための処理フラグであり、図５に期間Ｐで示すように、登坂走行の初期においてはアクセルが大きく踏み込まれ、その後アクセルの踏み込みを少々戻すというドライバの一般的な運転特性があるため、登坂走行を開始したので直列接続にして間もないのに、アクセルが戻されたタイミングで再び並列接続に切り替えられることを防止するために利用される。
【００４３】ステップＳ７，ステップＳ８：ステップＳ５にてアクセル開度αの変化量が所定値Δαより大きいと判断された、或いはステップＳ５にてＦＬ＝１と判断されたので、本ステップでは、バッテリ４とＰＣ５とを直列接続する（或いは直列接続を維持する）ことを決定し（ステップＳ７）、内部フラグＦＬを１に設定する（ステップＳ８）。
【００４４】ステップＳ９，ステップＳ１２：ＰＣ５の現時点における充電量（蓄電量）が所定値ＰＣｏより少ないか否かを判断し（ステップＳ９）、この判断でＹＥＳ（充電量＜ＰＣｏ）のときには、現時点で既に直列接続の場合にはこれ以上直列接続を維持しているとＰＣ５の転充電のおそれがあるため並列接続設定を行うべくステップＳ１０に進み、ＮＯ（充電量≧ＰＣｏ）のときには、アクセル開度αが所謂略全閉（踏み込み量が略ゼロ）の状態かを判断すべく、アクセル開度αが所定値α１より小さいかを判断する（ステップＳ１２）。
【００４５】そして、ステップＳ１２の判断でＹＥＳ（α＜α１）のときにはステップＳ１０に進み、ＮＯ（α≧α１）のときには、自車両の登坂走行が継続されていると判断されるためステップＳ１３に進む。
【００４６】ここで、ステップＳ１２にてアクセル開度αが所定値α１より小さいと判断したときに並列接続設定を行うべくステップＳ１０に進む理由について説明すれば、アクセル開度αが略全閉状態であるという状況は、自車両の登坂走行が略終了に近づき、ドライバがアクセルの踏み込みを緩めて平地走行のための速度調整を開始したことによって減速等が起こり、インバータ２及びモータ３による電力回生動作が開始される可能性が有ると判断することができ、インバータ２から出力される回生電力をバッテリ４と比較して短時間で充電可能なＰＣ５に高効率で充電するためには、直列接続の状態より並列接続が望ましいからである。
【００４７】ステップＳ１０，ステップＳ１１：バッテリ４とＰＣ５とを並列接続する（或いは並列接続を維持する）ことを決定し（ステップＳ１０）、内部フラグＦＬを０に設定し（ステップＳ１１）、ステップＳ１５に進む。尚、ステップＳ１０では、バッテリ４によるＰＣ５の充電を開始すると良い。
【００４８】ステップＳ１３：ＰＣ５の現時点における充電量が所定値ＰＣｏより大きく、且つ所定値ＰＣ１より少ないか否かを判断し、この判断でＹＥＳ（ＰＣｏ＜充電量＜ＰＣ１）のときにはステップＳ１４に進み、ＮＯ（充電量＞ＰＣ１）のときには、ＰＣ５の現時点における充電量が十分であると判断できるためステップＳ７にて決定した直列接続を実行（または維持）すべくステップＳ１５に進む。ここで、所定値ＰＣ１は、ＰＣ５の定格のフル充電量の２５％程度の値に設定すれば良い。
【００４９】ステップＳ１４：自車両の車速Ｖが所定値Ｖ１より大きいか否かを判断し、この判断でＹＥＳ（Ｖ＞Ｖ１）のときには、直列接続の状態から並列接続に切り替えても発生するトルクショックは小さく、乗員は違和感を感じないと判断できるため、並列接続設定を行うべくステップＳ１０に進み、ＮＯ（Ｖ≦Ｖ１）のときには、ステップＳ７にて決定した直列接続を実行（または維持）すべくステップＳ１５に進む。
【００５０】ステップＳ１５：ステップＳ８またはステップＳ１１にて設定された内部フラグＦＬの状態に応じて、切り替えユニット１のスイッチング素子Ｑ１乃至Ｑ４の動作状態を、図２及び図３を参照して上述した如く、直列接続または並列接続に制御し、リターンする。また、本ステップにおいて並列接続に切り替えた場合には、ＰＣ５の端子電圧の降下に応じてスイッチング素子Ｑｓ１及びＱｓ２のスイッチング周波数を制御することにより、切り替えユニット１の端子Ｔ３における昇圧動作も実行する。
【００５１】尚、上記の切り替え制御処理において、並列接続から直列接続に切り替えるタイミングを、ナビ情報等により予め検出可能な上り坂の開始位置、或いはその手前近傍の位置に設定せず、アクセルが大きく踏み込まれて高加速（高出力）を開始してからに設定しているのは、一般的な乗員の特性として、定常走行時と比較して加速状態の場合のほうが乗員のトルクショックに対する許容範囲が大きいからである。
【００５２】また、上記のステップＳ９及びステップＳ１３の判断は、充電量にて行うのではなく、ＰＣ５の端子電圧を、所定の電圧と比較しても良い。
【００５３】このように、上記の切り替え制御処理によれば、車両の走行状態に応じてバッテリ４とＰＣ５との電気的な接続が切り替えユニット１によって適宜切り替えられるため、ＰＣ５の電気エネルギを効率良く使用することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３１３７
【氏名又は名称】マツダ株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年１１月４日（１９９９．１１．４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７６４２８
【弁理士】
【氏名又は名称】大塚 康徳 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１３６６０７（Ｐ２００１−１３６６０７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年５月１８日（２００１．５．１８） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３１４０７７ |
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