JP5570655B2 - 車両用電源システム - Google Patents
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Description
エンジンにより駆動されて交流電力を発生する発電機と、
上記発電機で発電された交流電力を直流電力に整流して発電母線に出力する整流器と、
車載負荷に負荷給電母線を介して電力を供給する第1蓄電デバイスと、
上記発電機からの発電電力を吸収して電力変動を吸収する第2蓄電デバイスと、
上記発電母線に接続されて、上記発電母線の電圧である発電母線電圧を目標値に保つように制御される定電圧制御型の第1DC/DCコンバータと、
上記第2蓄電デバイスに接続されて、入力または出力電流を目標電流に保つように制御される定電流制御型の第2DC/DCコンバータと、
上記発電機、第1、第2DC/DCコンバータを共に駆動制御して上記発電機の発電電力を上記第1蓄電デバイスおよび上記第2蓄電デバイスに充電するとともに、第2蓄電デバイスに充電されたエネルギを放電させる制御回路とを備え、
上記制御回路は、上記第2蓄電デバイスの充放電状況に応じて分別される各モードの全部または一部に対応して、上記発電母線電圧の最適な目標値を異なるアルゴリズムに基づいて決定し、上記発電母線電圧がその決定した上記最適な目標値になるように上記第1DC/DCコンバータを制御するものである。
図1はこの発明の実施の形態1に係る車両用電源システムの構成を示すブロック図である。
ここで、(入力電圧の変化)/(入力電流の変化)を、第1DC/DCコンバータ5の入力インピーダンスとして考えると、この第1DC/DCコンバータ5は、電流に関わらず入力電圧を一定に保とうとするので、低い入力インピーダンスのDC/DCコンバータと見做すことができる。
そして、この第2DC/DCコンバータ7は、電圧に関わらず入力電流を一定に保とうと作用するので、高い入力インピーダンスのDC/DCコンバータと見做すことができる。
このように、発電母線電圧Vaを一意に決めることができるのは、1つの回路接続点である発電母線Aに対し、低インピーダンスの第1DC/DCコンバータ5を接続しているためである。
特に、この実施の形態1の特徴として、後に詳述するように、車両の走行に伴う第2蓄電デバイス6の充放電状況(モードA〜C)によって、発電機1の最適な発電母線電圧Vaが異なるため、第2蓄電デバイス6の充放電状況(モードA〜C)に応じた最適な発電母線電圧Vaが安定して得られるように第1DC/DCコンバータ5を制御する。
このモードAは、主として車両の減速時に生じる(例えば図5の時刻t1〜t2の期間)。
すなわち、車両が減速すると、制御回路8は、第2DC/DCコンバータ7に対して第2蓄電デバイス6を充電するように制御する。その結果、図2に示すように、発電機1が発電したエネルギは、第1DC/DCコンバータ5を経由して負荷給電母線Bに移行しつつ、第2蓄電デバイス6にも移行する。この時、発電機1が発電する回生エネルギの源は、車体の質量と速度による運動エネルギであるので、ガソリンのエネルギは消費しない。この減速時の第2蓄電デバイス6へのエネルギの回生は、短時間、大電力で行う方が回生電力量を増大でき、より燃費を改善できる。
したがって、このモードAでは、発電機1の発電電力を第2蓄電デバイス6および負荷給電母線Bに移行させる上で、発電機1は極力大きな発電電力を発生しうる状態で行うことが望ましい。
このモードBは、主として車両の減速時以外で、かつ第2蓄電デバイス6に放電能力がある場合に成立する(例えば図5の時刻t2〜t3の期間)。
すなわち、車両の減速が終了すると、制御回路8は、第2DC/DCコンバータ7に対して、第2蓄電デバイス6のエネルギを放電するように制御する。第2蓄電デバイス6が発電母線A側に電力を供給できれば、制御回路8は発電機1の界磁巻線への電流供給を停止するので、発電機1は発電を停止し、図3に示すように、第2蓄電デバイス6から負荷給電母線B側へエネルギが移行する。このように、このモードBでは、車載負荷3を含む負荷給電母線B側への電力供給は第2蓄電デバイス6の蓄電エネルギによって行われるので、負荷給電母線B側への電力供給のためにガソリンのエネルギが消費されることはない。
したがって、このモードBでは、第2蓄電デバイス6から負荷給電母線B側へエネルギを効率的に移行させる上で、第1DC/DCコンバータ5及び第2DC/DCコンバータ7の電力変換効率が最大となる状態で行うことが望ましい。
なお、このモードBは、第2蓄電デバイス6の電圧が下限電圧に達し(図5の時刻t3)、それ以上放電できなくなると終了する。
このモードCは、主として車両の減速時以外で、かつ第2蓄電デバイス6に放電能力がなくなった場合に成立する(例えば図5の時刻t3〜t4の期間)。
すなわち、第2蓄電デバイス6の電圧が下限電圧に達し(図5の時刻t3)、それ以上放電できなくなると、制御回路8は第2DC/DCコンバータ7の動作を停止する。また、この場合、発電機1の界磁巻線には電流が供給されるので、発電機1が負荷給電母線Bに供給するのに必要な分だけ電力を発電し、図4に示すようにエネルギが移動する。この時、車両が減速していなければ負荷給電母線B側への電力供給が必要となる分だけガソリンのエネルギが消費される。したがって、このモードCでは、ガソリンのエネルギ消費を極力抑える上で、発電機1の発電効率が最大となる状態で行うことが望ましい。
このモードAでは、図2に示したように、車両の減速時の発電機1の回生電力を利用するため、発電機1は大電力で発電することが要求される。
図6から分かるように、発電母線電圧Vaが一定の場合、発電機1の回転速度が所定の最小値以下では発電電力Paはゼロであり、所定の最小値を超えると回転速度が上がるのに伴って次第に発電電力Paが増大して最終的に一定値に収束する特性を有する。そして、それぞれの発電機の回転速度に対して、最大発電電力Paをとる発電母線電圧Vaが異なることがわかる。
なお、図6では、発電機1の界磁電流は一定の条件の場合を示しているが、界磁電流が変わっても、回転速度に対する最大の発電電力Paをとる発電母線電圧Vaの関係は変わらない。よって、モードAでは、発電機1の回転速度に対して、最大電力で発電可能な発電母線電圧Vaを目標値とするのが良いことがわかる。
このモードBでは、図3に示したように、エネルギは第2蓄電デバイス6から第2DC/DCコンバータ7、および第1DC/DCコンバータ5を通して負荷給電母線Bへ移行する。車両の減速時以外で、このモードBの状態をできるだけ長く維持できれば、モードCの時間割合を減らすことができるので、燃費を向上させることができる。よって、このモードBでは、第2蓄電デバイス6のエネルギを低損失で負荷給電母線Bに移動させることが望ましい。そのためには、第1DC/DCコンバータ5と第2DC/DCコンバータ7との掛け合わせの電力変換効率が最大となる発電母線電圧Vaを目標とすればよいことが分かる。この時、発電機1は発電を停止しているので、目標とすべき最適な発電母線電圧Vaは、発電機1の回転速度に依存しない。
このモードCでは、図4に示したように、第2DC/DCコンバータ6は動作を停止し、発電機1は負荷給電母線B側に供給するのに必要な分だけ電力を発電するので、このモードCで燃費を向上させるためには、発電機1の発電効率と第1DC/DCコンバータ5の電力変換効率が高いことが望ましい。この場合、一般的にDC/DCコンバータの電力変換効率と比較して発電機1の発電効率が低いため、発電機1の発電効率を改善する方が燃費向上の効果は大きい。
一方、モードCでは、負荷給電母線Bに供給するだけの電力を発電すればよく、モードAにおいて必要な電力に比べて小さい。例えばモードCにおいて必要な発電機1の発電電力を300Wとした場合、このとき、発電母線電圧Vaを14V、発電機1の界磁電流を1.2Aとした方が、発電母線電圧Vaを28V、発電機1の界磁電流を2Aとする場合よりも発電効率が高いことが分かる。ここで着目すべき点は、最適な発電母線電圧Vaは、発電機1の最大発電電力を目標とするモードAと、発電機1の最大発電効率を目標とするモードCとでは同じではないという点である。
そして、各モードA〜Cに対応して最適な発電母線電圧目標値Va*が設定できれば、前述のように第1DC/DCコンバータ5を制御することで、一意に発電母線電圧Vaを所定の発電母線電圧目標値Va*に保つことが可能となる。
図10はこの発明の実施の形態2に係る車両用電源システムの構成を示すブロック図である。車両用電源システムの構成要素は基本的には実施の形態1と同じであるが、第1DC/DCコンバータ及び第2DC/DCコンバータと他の構成要素との接続関係が実施の形態1とは相違する。
このモードAは、主として車両の減速時に生じる(例えば図5の時刻t1〜t2の期間)。すなわち、車両が減速すると、制御回路8は、発電機1と第2DC/DCコンバータ7に指示を出し、発電機1の発電電力Paと負荷供給母線Bへの供給電力Pbの差分の電力で第2蓄電デバイス6を充電するように制御する。その結果、図11に示すように、発電機1が発電したエネルギは、第1DC/DCコンバータ5及び第2DC/DCコンバータ7を経由して負荷給電母線Bに移行しつつ、第1DC/DCコンバータ5を経由して第2蓄電デバイス6にも移行する。この時、発電機1が発電する回生エネルギの源は、車体の質量と速度による運動エネルギであるので、燃料であるガソリンのエネルギは消費しない。車両の減速時の第2蓄電デバイス6へのエネルギの回生は、短時間、大電力で行う方が回生電力量を増大でき、より燃費を改善できる。したがって、このモードAでは、発電機1の発電電力を第2蓄電デバイス6および負荷給電母線Bに移行させる上で、発電機1は極力大きな発電電力を発生しうる状態で行うことが望ましい。
このモードBは、主として車両の減速時以外で、かつ第2蓄電デバイス6に放電能力がある場合に成立する(例えば図5の時刻t2〜t3の期間)。すなわち、車両の減速が終了すると、制御回路8は、第2DC/DCコンバータ7に対して、第2蓄電デバイス6のエネルギを放電するように制御する。第2蓄電デバイス6が第2DC/DCコンバータ7側に電力を供給できれば、制御回路8は発電機1の界磁巻線への電流供給を停止するので、発電機1は発電を停止し、図12に示すように、第2蓄電デバイス6から負荷給電母線B側へエネルギが移行する。このように、このモードBでは、車載負荷3を含む負荷給電母線B側への電力供給は第2蓄電デバイス6の蓄電エネルギによって行われるので、負荷給電母線B側への電力供給のためにガソリンのエネルギが消費されることはない。このモードBでは、発電母線電圧Aは関与しないので、特に考慮する必要はない。なお、このモードBは、第2蓄電デバイス6の電圧が下限電圧に達し(図5の時刻t3)、それ以上放電できなくなると終了する。
このモードCは、主として車両の減速時以外で、かつ第2蓄電デバイス6に放電能力がなくなった場合に成立する(例えば図5の時刻t3〜t4の期間)。すなわち、第2蓄電デバイス6の電圧が下限電圧に達し(図5の時刻t3)、それ以上放電できなくなると、制御回路8は発電機1の発電電力Paと第2DC/DCコンバータ7が負荷供給母線Bへ供給する電力Pbの差分をゼロにすることにより、第2蓄電デバイス6の充放電を停止し、図13に示すようにエネルギを移動する。この時、車両が減速していなければ負荷給電母線B側への電力供給が必要となる分だけガソリンのエネルギが消費される。したがって、このモードCでは、ガソリンのエネルギ消費を極力抑える上で、発電機1の発電効率が最大となる状態で行うことが望ましい。
モードAでは、発電機1から第2蓄電デバイス6に移行するエネルギは、実施の形態1では第2DC/DCコンバータ7を通過し、実施の形態2では第1DC/DCコンバータ5を通過する。すなわち、どちらの実施の形態も第2蓄電デバイス6に移行するエネルギは、それぞれDC/DCコンバータを1回通過するので、DC/DCコンバータによるエネルギの損失は同じである。発電機1から車載負荷3へ移行するエネルギがDC/DCコンバータを通過するのは、実施の形態1では第1DC/DCコンバータ5の1回、実施の形態2では第1DC/DCコンバータ5と第2DC/DCコンバータ7の2回であるので、実施の形態1の方がDC/DCコンバータによるエネルギの損失は小さい。
モードBでは、第2蓄電デバイス6から車載負荷3へ移行するエネルギがDC/DCコンバータを通過するのは、実施の形態1では第1DC/DCコンバータ5と第2DC/DCコンバータ7の2回、実施の形態2では第2DC/DCコンバータ7の1回のため、実施の形態2の方がDC/DCコンバータによるエネルギの損失は小さい。
モードCでは、発電機1から車載負荷3へ移行するエネルギがDC/DCコンバータを通過するのは、実施の形態1では第1DC/DCコンバータ5の1回、実施の形態2では第1DC/DCコンバータ5及び第2DC/DCコンバータ7の2回であるので、実施の形態1の方がDC/DCコンバータによるエネルギの損失は小さい。
このように、DC/DCコンバータを通過するエネルギの損失は、両実施の形態で一長一短あり、システム設計時に使い方にあわせてどちらかを選択すればよい。すなわち、コストの観点から容量の小さい第2蓄電デバイス6を使用した場合、モードCの時間割合が大きくなる。この場合、発電機1から直接車載負荷3へエネルギが移行する時の損失が小さくなる実施の形態1の方が燃費改善効果として有利である。一方、第2蓄電デバイス6の容量を十分大きくできる場合、モードCの時間割合は小さくなる。この場合、モードAおよびモードBでの第2蓄電デバイス6を充放電する時の損失が抑えられる実施の形態2の方が燃費改善効果として有利である。
図14はこの発明の実施の形態3に係る車両用電源システムの構成を示すブロック図である。車両用電源システムの構成要素は基本的には実施の形態1と同じであるが、第1DC/DCコンバータ及び第2DC/DCコンバータと他の構成要素との接続関係が実施の形態1とは相違する。
このモードAは、主として車両の減速時に生じる(例えば図5の時刻t1〜t2の期間)。すなわち、車両が減速すると、制御回路8は、第2DC/DCコンバータ7に対して第2蓄電デバイス6を充電するように制御する。その結果、図15に示すように、発電機1が発電したエネルギは、第1DC/DCコンバータ5を経由して負荷給電母線Bに移行しつつ、第2DC/DCコンバータ7を経由して第2蓄電デバイス6にも移行する。この時、発電機1が発電する回生エネルギの源は、車体の質量と速度による運動エネルギであるので、ガソリンのエネルギは消費しない。この減速時の第2蓄電デバイス6へのエネルギの回生は、短時間、大電力で行う方が回生電力量を増大でき、より燃費を改善できる。したがって、このモードAでは、発電機1の発電電力を第2蓄電デバイス6および負荷給電母線Bに移行させる上で、発電機1は極力大きな発電電力を発生しうる状態で行うことが望ましい。
このモードBは、主として車両の減速時以外で、かつ第2蓄電デバイス6に放電能力がある場合に成立する(例えば図5の時刻t2〜t3の期間)。すなわち、車両の減速が終了すると、制御回路8は、第2DC/DCコンバータ7に対して、第2蓄電デバイス6のエネルギを放電するように制御する。この場合、制御回路8は発電機1の界磁巻線への電流供給を停止するので、発電機1は発電を停止し、図16に示すように、第2蓄電デバイス6から負荷給電母線B側へエネルギが移行する。このように、このモードBでは、車載負荷3を含む負荷給電母線B側への電力供給は第2蓄電デバイス6の蓄電エネルギによって行われるので、負荷給電母線B側への電力供給のためにガソリンのエネルギが消費されることはない。このモードBでは、発電母線Aは関与しないので、特に考慮する必要はない。なお、このモードBは、第2蓄電デバイス6の電圧が下限電圧に達し(図5の時刻t3)、それ以上放電できなくなると終了する。
このモードCは、主として車両の減速時以外で、かつ第2蓄電デバイス6に放電能力がなくなった場合に成立する(例えば図5の時刻t3〜t4の期間)。すなわち、第2蓄電デバイス6の電圧が下限電圧に達し(図5の時刻t3)、それ以上放電できなくなると、制御回路8は第2DC/DCコンバータ7の動作を停止する。また、この場合、発電機1の界磁巻線には電流が供給されるので、発電機1が負荷給電母線Bに供給するのに必要な分だけ電力を発電し、図17に示すようにエネルギが移動する。この時、車両が減速していなければ負荷給電母線B側への電力供給が必要となる分だけガソリンのエネルギが消費される。したがって、このモードCでは、ガソリンのエネルギ消費を極力抑える上で、発電機1の発電効率が最大となる状態で行うことが望ましい。
モードAでは、発電機1から第2蓄電デバイス6に移行するエネルギがDC/DCコンバータを通過するのは、実施の形態1では第2DC/DCコンバータ7の1回、実施の形態3では第1DC/DCコンバータ5及び第2DC/DCコンバータ7の2回であるので、実施の形態1の方がDC/DCコンバータによるエネルギの損失は小さい。発電機1から車載負荷3へ移行するエネルギは、どちらの実施の形態もDC/DCコンバータを1回通過するので、DC/DCコンバータによるエネルギの損失は同じである。
モードBでは、第2蓄電デバイス6から車載負荷3へ移行するエネルギがDC/DCコンバータを通過するのは、実施の形態1では第2DC/DCコンバータ7及び第1DC/DCコンバータ5の2回、実施の形態3では第2DC/DCコンバータ7の1回であるため、実施の形態3の方がDC/DCコンバータによるエネルギの損失は小さい。
モードCでは、発電機1から車載負荷3へ移行するエネルギがDC/DCコンバータを通過するのは、実施の形態1及び3共に第1DC/DCコンバータ5の1回であるので、DC/DCコンバータによるエネルギの損失は同じである。
このように、DC/DCコンバータを通過するエネルギの損失は、両実施の形態で一長一短あり、システム設計時に使い方にあわせてどちらかを選択すればよい。すなわち、車体の重量が大きく十分大きな減速エネルギが取れる場合は、モードAで第2蓄電デバイス6の充電時の損失が大きくてもモードBで放電時の損失が小さい実施の形態3が、燃費改善効果として有利である。一方、車体の重量が小さく十分大きな減速エネルギが取れない場合は、モードAで第2蓄電デバイス6の充電時の損失を小さくしてより多く減速エネルギを回収した実施の形態1が、燃費改善効果として有利である。
Claims (8)
- エンジンにより駆動されて交流電力を発生する発電機と、
上記発電機で発電された交流電力を直流電力に整流して発電母線に出力する整流器と、
車載負荷に負荷給電母線を介して電力を供給する第1蓄電デバイスと、
上記発電機からの発電電力を吸収して電力変動を吸収する第2蓄電デバイスと、
上記発電母線に接続されて、上記発電母線の電圧である発電母線電圧を目標値に保つように制御される定電圧制御型の第1DC/DCコンバータと、
上記第2蓄電デバイスに接続されて、入力または出力電流を目標電流に保つように制御される定電流制御型の第2DC/DCコンバータと、
上記発電機、第1、第2DC/DCコンバータを共に駆動制御して上記発電機の発電電力を上記第1蓄電デバイスおよび上記第2蓄電デバイスに充電するとともに、第2蓄電デバイスに充電されたエネルギを放電させる制御回路とを備え、
上記制御回路は、上記第2蓄電デバイスの充放電状況に応じて分別される各モードの全部または一部に対応して、上記発電母線電圧の最適な目標値を異なるアルゴリズムに基づいて決定し、上記発電母線電圧がその決定した上記最適な目標値になるように上記第1DC/DCコンバータを制御する車両用電源システム。 - 上記第1DC/DCコンバータは、第1端が上記発電母線に接続されると共に第2端が上記負荷給電母線に接続され、
上記第2DC/DCコンバータは、第1端が上記発電母線に接続されると共に第2端が上記第2蓄電デバイスに接続される請求項1に記載の車両用電源システム。 - 上記第1DC/DCコンバータは、第1端が上記発電母線に接続されると共に第2端が上記第2蓄電デバイスに接続され、
上記第2DC/DCコンバータは、第1端が上記第2蓄電デバイスに接続されると共に第2端が上記負荷給電母線に接続される請求項1に記載の車両用電源システム。 - 上記第1DC/DCコンバータは、第1端が上記発電母線に接続されると共に第2端が上記負荷給電母線に接続され、
上記第2DC/DCコンバータは、第1端が上記第2蓄電デバイスに接続されると共に第2端が上記負荷給電母線に接続される請求項1に記載の車両用電源システム。 - 上記制御回路は、上記発電母線電圧の最適な目標値を決定する場合の上記アルゴリズムは、上記第2蓄電デバイスの充放電状況に応じて分別される各モードの全部または一部に対応させて、上記発電母線電圧の目標値を予め登録したテーブルを参照して行う請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の車両用電源システム。
- 上記第2蓄電デバイスの充放電状況が、上記第2蓄電デバイスを充電するモードである場合、上記制御回路は、上記発電母線電圧の目標値を、エンジンまたは発電機の回転速度を参照して決定する請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の車両用電源システム。
- 上記第2蓄電デバイスの充放電状況が、第2蓄電デバイスを放電するモードである場合、上記制御回路は、上記発電母線電圧の目標値を、エンジンまたは発電機の回転速度を参照しないで決定する請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の車両用電源システム。
- 上記第2蓄電デバイスの充放電状況が、第2蓄電デバイスを充電も放電もしないモードである場合、上記制御回路は、上記発電母線電圧の目標値を、エンジンまたは発電機の回転速度を参照して決定する請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の車両用電源システム。
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