JP3911131B2

JP3911131B2 - 車両用電源装置

Info

Publication number: JP3911131B2
Application number: JP2001082750A
Authority: JP
Inventors: 育朗野津; 正和佐々木; 修一荒木; 廸夫岡村
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2021-03-22
Also published as: JP2002281690A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、蓄電装置を電源とする電気自動車、または蓄電装置およびエンジン発電機を電源とするハイブリッド自動車に関し、とくに商用車への採用に好適な電動車両用の電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハイブリッド自動車など電動車両の蓄電装置として、急速充電が可能で充放電サイクル寿命も長い、電気二重層コンデンサ（キャパシタ）の適用技術が注目される。所要容量の蓄電装置を構成するため、数多くのキャパシタセルを直並列に接続する一方、これらキャパシタセルを均一に充電できるよう、各キャパシタセルのそれぞれに端子電圧が既定値（基準電圧）に達すると作動する電流バイパス回路を並列に接続することが考えられる。なお、特開平６−３４３２２５号において、キャパシタの端子電圧を検出する比較器と、その出力を受けて動作する電流バイパス回路と、を備えるものが開示される。また、特開平７−８７６６８号において、キャパシタをDC-DCコンバータの定電流出力を電源に効率よく充電できるようにしたものが開示される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このようなバイパス回路により、各キャパシタセルは、蓄電装置の最大電圧を均等に分担するようになるが、静電容量，内部抵抗，漏れ電流，などキャパシタセル毎にばらつきがあり、充放電を繰り返すと、各キャパシタセルの分担電圧の間に差異が生じるようになり、分担電圧の大きいキャパシタセルの劣化を早めかねない。そのため、キャパシタセルの端子電圧を基準電圧（蓄電装置の最大電圧に対応する）に均等化（初期化）する充電を定期的に行うことが要求されるが、外部の充電設備も必要となり、車両の運転前に充電時間が取られる、という不都合も考えられる。
【０００４】
この発明は、このような問題点を解決するための有効な手段の提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、車両の原動機を構成する電動機と、電動機の主電源を構成する蓄電装置と、を備える車両の電源装置において、蓄電装置を組成する複数のキャパシタセルについて、これらの分担電圧を均等化するための補助電源として車載の電装系電源を用いて蓄電装置を充電するDC-DCコンバータを備え、キャパシタセルの分担電圧のばらつきが既定値 Vk 以上になると、分担電圧を均等化するための DC-DC コンバータによる蓄電装置への充電を開始することを特徴とする。
【０００６】
第２の発明は、車両の原動機を構成する電動機と、電動機の主電源を構成する蓄電装置と、を備える車両の電源装置において、蓄電装置を組成する複数のキャパシタセルについて、これらの分担電圧を均等化するための補助電源として車載の電装系電源を用いて蓄電装置を充電する DC-DC コンバータを備え、蓄電装置を組成するキャパシタセルについて、これらの分担電圧のうちの最高電圧 Vmax を検出し、各分担電圧を最高電圧 Vmax ＋所定値βに均等化することを特徴とする。
【０００７】
第３の発明は、車両の原動機を構成する電動機と、電動機の主電源を構成する蓄電装置と、を備える車両の電源装置において、蓄電装置を組成する複数のキャパシタセルについて、これらの分担電圧を均等化するための補助電源として車載の電装系電源を用いて蓄電装置を充電する DC-DC コンバータを備え、蓄電装置を組成するキャパシタセルについて、これらの分担電圧のうちの最高電圧 Vmax を検出し、各分担電圧を最高電圧 Vmax ＋所定値βに均等化することを特徴とする。
【０００８】
第４の発明は、車両の原動機を構成する電動機と、電動機の主電源を構成する蓄電装置と、を備える車両の電源装置において、蓄電装置を組成する複数のキャパシタセルについて、これらの分担電圧を均等化するための補助電源として車載の電装系電源を用いて蓄電装置を充電する DC-DC コンバータを備え、電動機の主電源が充放電状態のときは DC-DC コンバータによる蓄電装置への充電を禁止することを特徴とする。
【０００９】
第５の発明は、第１の発明〜第４の発明のいずれか１つに係る DC-DC コンバータは、主電源回路およびこれと絶縁される電装系電源に対する絶縁型電源を構成することを特徴とする。
【００１０】
第６の発明は、第１の発明〜第４の発明のいずれか１つに係る DC-DC コンバータは、蓄電装置の最大電圧＋所定値αの高い電圧出力かつ定電流出力を備えることを特徴とする。
【００１２】
第１の発明〜第６の発明においては、電装系電源を利用してDC-DCコンバータにより、蓄電装置が定常的（車両の停車時など）に充電され、キャパシタセルの分担電圧を均等化できる。キャパシタの分担電圧の均等化は、電流バイパス回路を応用する電圧整列手段により、随時に設定の均等化電圧に整列され、外部の充電設備を使用することなく、蓄電装置の最大電圧に対応する基準電圧に初期化することも可能となる。
【００１３】
第１の発明においては、 DC-DC コンバータの充電により、キャパシタセルの分担電圧のばらつきを既定値 Vk 以内に抑えられる。
【００１４】
第２の発明においては、 DC-DC コンバータの充電により、キャパシタセルの分担電圧は、最高電圧＋所定値βに均等化される。また、均等化電圧が最高電圧＋所定値βのため、バイパスに伴う電力消費も最小限に抑えられる。
【００１５】
第３の発明においては、分担電圧の定常的な均等化と、分担電圧を基準電圧（蓄電装置の最大電圧）に初期化する均等化と、の選択が簡単に可能となる。
【００１６】
第４の発明においては、 DC-DC コンバータの充電電流と主電源回路の充放電電流との干渉が回避され、システムの信頼性および耐久性の確保が得られる。
【００１７】
第５の発明においては、主電源回路およびこれと絶縁される電装系電源に対し、 DC-DC コンバータが絶縁型電源を構成するので、これら相互間のショートが回避され、車両の安全性を向上できる。
【００１８】
第６の発明においては、 DC-DC コンバータからの充電により、キャパシタセルの分担電圧が均等状態に維持されるようになり、これら分担電圧を効率よく最大電圧まで充電可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１において、１は車両の原動機を構成する電動機であり、蓄電装置３（キャパシタ蓄電装置）にインバータ２を介して接続される。インバータ２は、車両力行時に蓄電装置３を電源に駆動電力を電動機１に供給する一方、車両制動時に電動機１の発電する回生電力を電源に充電電力を蓄電装置３に供給する。
【００２０】
蓄電装置３は、多数のキャパシタセル３ａから所要容量の組電池３Ａに構成される。これらセル３ａは、複数のモジュール３Ｂ（キャパシタセルモジュール）に分割され、各モジュール３Ｂ毎にキャパシタセル３ａの分担電圧（端子電圧）を均等化する電圧整列手段４（図２の２５〜３７で構成される）が備えられる。多数のキャパシタセル３ａおよび複数のモジュール３Ｂは、図示の直列接続のみに限らず、並列接続を併用する構成にしてもよい。
【００２１】
蓄電装置３において、組電池３Ａとインバータ２との間（主回路９）にコンタクタ５およびヒューズ６が介装され、蓄電装置３の総電圧を監視する総電圧検出アンプ７が設けられる。総電圧アンプ７は、組電池３Ａの両端から電圧（蓄電装置３の総電圧）を検出し、その検出信号は主回路９から絶縁され、ハイブリッドＥＣＵ１０に入力する。
【００２２】
ハイブリッドＥＣＵ１０は、このシステムの全体を制御するものあり、電動機１のインバータ２および蓄電装置３の各モジュール３Ｂとの間において、各種の情報（検出データや制御指令など）をやり取りするため、通信ネットワーク１１が構築される。たとえば、各モジュール３Ｂの情報は、ハイブリッドＥＣＵ１０へ通信ネットワーク１１を介して伝達され、ハイブリッドＥＣＵ１０の情報も、各モジュール３Ｂへ伝達される。１１ａ，１１ｂは通信ネットワーク１１の終端抵抗である。
【００２３】
車両に電装系電源１５（カーバッテリ）が備えられ、車両の運転時にキースイッチ１６を介して各電装部品（ＥＣＵ１０，インバータ２，蓄電装置３の各電圧整列回路４、を含む）に電源を供給する。蓄電装置３のコンタクタ５は、電装系電源１５にキースイッチ１６を介して接続され、通電のON（コイルの励磁）時に主回路９を閉成する一方、通電のOFF時に主回路９を開成する。
【００２４】
蓄電装置３の補助充電を行うため、電装系電源１５にキースイッチ１６を介して接続するDC-DCコンバータ１７が設けられ、DC-DCコンバータ１７への電源を開閉するリレー１８がキースイッチ１６との間に介装される。DC-DCコンバータ１７は、電装系電源１５からキースイッチ１６およびリレー１８を介して供給される電力を、蓄電装置３の充電に適合する高い電圧（蓄電装置３の最大電圧＋所定値αに設定される）の定電流出力に変換して組電池３Ａに供給する。主回路９系電源（蓄電装置３）と電装系電源１５は、ショートを回避するため、互いに接地ポイントが絶縁される。DC-DCコンバータ１７についても、主回路９系電源および電装系電源１５の接地ポイントから隔絶する絶縁型の充電電源に構成される。
【００２５】
２０は蓄電装置３を最大電圧に初期化する最大電圧整列を選択するためのスイッチ（運転室に配置される操作スイッチ）であり、スイッチ２０がONのときは、最大電圧整列が選択され、車両の停車中はDC-DCコンバータの定電流出力を電源に蓄電装置３が充電される一方、このスイッチがOFFのときは、任意電圧整列が選択され、車両の停車時にDC-DCコンバータの定電流出力を電源に蓄電装置３が充電される。DC-DCコンバータ１７への電源を開閉するリレー１８は、各モジュール３Ｂからの情報に基づいて、ハイブリッドＥＣＵ１０により制御される。
【００２６】
蓄電装置３の各モジュールは、図２のように構成される。各キャパシタセル３ａ（１〜ｎ）にそれぞれバイパス回路２５が並列に設けられる。バイパス回路２５は、電流の制限抵抗２５ａとトランジスタ２５ｂとからなり、トランジスタ２６ｂをON-OFFするＯＲ回路２６が備えられる。ＯＲ回路２６は、コンパレータ２７からの入力およびバイパス切り替え回路２９からの入力に基づいて、これら入力の少なくともいずれか一方がハイレベルの信号（バイパス指令）になると、トランジスタ２５ｂにON（バイパス作動）信号を出力する。トランジスタ２５ｂは、ＯＲ回路２６のON信号により、ベース電圧が印加されると、バイパス回路２５を閉成する一方、ＯＲ回路２６のOFF信号により、ベース電圧の印加が解除されると、バイパス回路２５を開成する。
【００２７】
コンパレータ２７は、蓄電装置３を最大電圧に初期化するためのバイパス指令を出力するものであり、キャパシタセル３ａ（１〜ｎ）の端子電圧（セル電圧）を蓄電装置３の最大電圧に対応する基準電圧（発生器２８に設定される）と比較し、キャパシタセル３ａ（１〜ｎ）の端子電圧が基準電圧を超えると、ＯＲ回路２６にバイパス指令を出力する。バイパス切り替え回路２９は、キャパシタセル３ａ（１〜ｎ）の分担電圧のばらつきを任意に補正（均等化）するためのバイパス指令を出力するものであり、バイパスの必要なキャパシタセルのＯＲ回路２６にバイパス指令を出力する。
【００２８】
キャパシタセル３ａ（１〜ｎ）について、これらの分担電圧（セル電圧）を順次に検出するのが電圧検出切り替え回路３０であり、その検出信号は絶縁アンプ３１で主回路９系電源から絶縁され、ＡＤ変換器３２を介してＣＰＵ３３に入力される。ＣＰＵ３３は、通信ネットワーク１１を介して必要な各種情報をやり取りしつつ、ＲＡＭ３４に格納の制御データに使用しながら、ＲＯＭ３５に格納のプログラムに基づいて、後述のような制御を遂行するための処理（キャパシタセル３ａのバイパス判定など）を実行する。
【００２９】
ＣＰＵ３３の判定に基づいて、バイパス切り替え回路２９に対し、対象セル切り替え処理回路３６から、バイパスの必要なキャパシタセル３ａが指定される。この処理回路３６は、電圧検出切り替え回路３０に対し、検出対象のキャパシタセルを指定する機能も備える。また、ＣＰＵ３３の判定に基づいて、通信制御回路３７からDC-DCコンバータ１７への電源を開閉するリレー１８に対する制御指令がハイブリッドＥＣＵ１０へ送信される。
【００３０】
図３は各モジュール３Ｂの制御内容を説明するフローチャート（バイパス判定に係るメインルーチン）であり、所定周期で繰り返し処理される。ステップ１においては、システムＥＣＵ１０から通信ネットワーク１１を介して車両の運転情報（充放電状態）を取得する。ステップ２においては、車両の運転情報から非充放電（回生運転でも、力行運転でもない）状態かどうかを判定する。ステップ２の判定がｙｅｓのときは、ステップ３へ進む一方、ステップ２のｎｏのときは、ＥＮＤへ飛ぶ。
【００３１】
ステップ３においては、スイッチ２０がON（最大電圧整列の選択）かどうかを判定する。ステップ３の判定がｙｅｓのときは、ステップ４において、最大電圧整列（DC-DCコンバータ１７の開閉リレー１８をONに切り替える）を処理する一方、ステップ３の判定がｎｏのときは、ステップ５において、任意電圧整列を処理する。
【００３２】
ステップ４の最大電圧整列においては、電装系電源１５からキースイッチ１６およびリレー１８を介して供給される電力により、DC-DCコンバータ１７が所定電圧（蓄電装置３の最大電圧＋α）の定電流出力によって蓄電装置３を充電する。各モジュール３Ｂのキャパシタセル３ａ（１〜ｎ）を充電電流が流れ、リレー１８がONの間において、端子電圧が基準電圧に達すると、コンパレータ２７の出力に基づいて、ＯＲ回路２６がトランジスタ２５ｂをONするため、バイパス回路２５を充電電流が流れるので、キャパシタセル３ａ（１〜ｎ）の分担電圧は、基準電圧（蓄電装置３の最大電圧に対応する）に均等化されるのである。
【００３３】
図４は、任意電圧整列（図３のステップ５で行われる）の処理内容を説明するものであり、ステップ１〜ステップ４においては、キャパシタセル３ａ（１〜ｎ）の各端子電圧から、これらの最低電圧Vminおよび最高電圧Vmaxを検出する。具体的には、検出対象の番号ｉ＝１のキャパシタセルについて、端子電圧の検出値をメモリに格納される最低電圧Vminと比較し、検出値が最低電圧Vminを下回るときは、メモリの最低電圧Vminを検出値に更新する一方、検出値が最低電圧Vmin以上のときは、メモリの最低電圧Vminを保存し、検出値をメモリに格納される最高電圧Vmaxと比較する。そして、検出値が最高電圧Vmaxを上回るときは、メモリの最高電圧Vmaxを検出値に更新する一方、検出値が最高電圧Vmax以下のときは、メモリの最高電圧Vmaxを保存する。この処理は、すべてのキャパシタセル３ａ（１〜ｎ）について、順次に繰り返され、ｎ番目のキャパシタセル３ａの処理の終了により、最低電圧Vminおよび最高電圧Vmaxが確定すると、ステップ５へ進む。
【００３４】
ステップ５においては、最低電圧Vminと最高電圧Vmaxとの電圧差ΔV＝Vmax−Vminを計算し、ステップ６においては、ΔVが既定値Vk以上（任意電圧整列が必要）かどうかを判定する。ステップ６の判定がｙｅｓのときは、ステップ７へ進む一方、ステップ６の判定がｎｏのときは、ステップ１５へ飛び、DC-DCコンバータ１７の開閉リレー１８をOFFに切り替える。ステップ７においては、キャパシタセルの均等化電圧として最高電圧Vmaxよりも所定値βを上回る電圧に設定する。ステップ８においては、DC-DCコンバータ１７の開閉リレー１８をONする。
【００３５】
これにより、電装系電源１５からキースイッチ１６およびリレー１８を介して供給される電力により、DC-DCコンバータ１７が所定電圧（蓄電装置３の最大電圧＋α）の定電流出力によって蓄電装置３を充電する。そして、キャパシタセル３ａ（１〜ｎ）の分担電圧を最高電圧Vmax＋βに均等化するにあたり、ステップ９およびステップ１０においては、対象の番号ｉ＝１のキャパシタセル３ａについて、その端子電圧（電圧検出切り替え回路３０の検出値）が均等化電圧の設定値（最高電圧Vmax＋β）と比較する。キャパシタセル３ａ（１）の端子電圧が均等化電圧以上のときは、ステップ１１において、バイパスの作動を指令する一方、キャパシタセル３ａ（１）の端子電圧が均等化電圧以下のときは、ステップ１２において、バイパスの停止を指令する。この処理は、すべてのキャパシタセル３ａ（１〜ｎ）について、ｎ番目のキャパシタセルの処理が終了するまでの間、順次に繰り返される（ステップ１０〜ステップ１４）。
【００３６】
図５は、分担電圧の整列化を説明する特性図であり、DC-DCコンバータ１７がONすると、キャパシタセル３ａにDC-DCコンバータ１７からの充電電流が流れ、バイパス回路２５がOFFの間、その端子電圧は上昇する。そして、端子電圧が均等化電圧に達すると、バイパス回路２５がONとなり、キャパシタ３ａの端子電圧は、均等化電圧に規制されるのである。
【００３７】
このような構成により、スイッチ２０が任意電圧整列のときは、キャパシタセル３ａ（１〜ｎ）の分担電圧に既定値Vk以上のばらつきが生じると、車両の停止時において、DC-DCコンバータの出力を電源にキャパシタセル３ａ（１〜ｎ）の分担電圧がそのときの最高電圧Vmax＋βに整列化される。そのため、キャパシタセル３ａ（１〜ｎ）の分担電圧のばらつきが補正され、蓄電装置の最大電圧に初期化する際においては、キャパシタセル３ａ（１〜ｎ）の分担電圧が基準電圧へ同時に達するようになり、キャパシタセル３ａ（１〜ｎ）の一部が基準電圧以上に過充電されるのを抑えられることになる。この結果、蓄電装置３の最大電圧（コンパレータの基準電圧）の設定に加味されるマージンの低減が可能となり、蓄電装置３の本来の蓄電能力（キャパシタの貯蔵エネルギEc＝Ｃ・Ｖ²／２Ｃは静電容量、Ｖは電圧）を十分に活用できるという効果が得られる。
【００３８】
任意電圧整列において、均等化電圧はそのときの最高電圧Vmax＋βに設定されるので、バイパス頻度が最小限に抑えられ、バイパスに伴う電力消費も最大限に低減可能となる。もちろん、均等化電圧については、最低電圧Vminまたは最高電圧Vmaxと最低電圧Vminとの平均値、等に設定できるが、最高電圧Vmax＋βの場合に較べると、設定電圧が小さい分、バイパス頻度が大きくなってしまう。また、DC-DCコンバータ１７の定電流（小電流）出力により、蓄電装置３を効率よく充電できる。DC-DCコンバータ１７の出力電圧は、蓄電装置３の最大電圧＋αに設定のため、走行中の充放電状態によっては、外部の充電設備を使用することなく、蓄電装置３の初期化（最大電圧整列）も十分に可能となる。
【００３９】
なお、蓄電装置３の充電量に余裕がある場合、蓄電装置３からDC-DCコンバータ１７を介して電装系電源１５を充電することも考えられる。その場合においても、キャパシタ３ａ（１〜ｎ）の分担電圧をバイパス回路２５のON-OFFによって均等化が可能となる。前記の実施形態において、任意電圧整列時の均等化電圧は、蓄電装置３の各モジュール３Ｂ毎に設定されるが、蓄電装置３の各モジュール３Ｂに共通の均等化電圧（たとえば、各モジュール３Ｂの均等化電圧をさらに平均化する均等化電圧）を設定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態を表すシステムの構成図である。
【図２】同じくキャパシタモジュールの構成図である。
【図３】同じくキャパシタモジュールの制御内容を説明するフローチャートである。
【図４】同じくキャパシタモジュールの制御内容を説明するフローチャートである。
【図５】同じくキャパシタモジュールの制御内容を説明する特性図である。
【符号の説明】
１電動機
２インバータ
３蓄電装置
３Ｂキャパシタセルモジュール
３ａ（１〜ｎ）キャパシタセル
４電圧整列手段
５コンタクタ
７総電圧アンプ
９主回路
１０ハイブリッドＥＣＵ
１１通信ネットワーク
１５電装系電源
１６キースイッチ
１７ DC-DCコンバータ
１８リレー
２０スイッチ（運転室の操作スイッチ）
２５バイパス回路
２５ａ制限抵抗
２５ｂトランジスタ
２６ＯＲ回路
２７コンパレータ
２８基準電圧発生器

Claims

車両の原動機を構成する電動機と、電動機の主電源を構成する蓄電装置と、を備える車両の電源装置において、蓄電装置を組成する複数のキャパシタセルについて、これらの分担電圧を均等化するための補助電源として車載の電装系電源を用いて蓄電装置を充電するDC-DCコンバータを備え、キャパシタセルの分担電圧のばらつきが既定値Vk以上になると、分担電圧を均等化するためのDC-DCコンバータによる蓄電装置への充電を開始することを特徴とする車両用電源装置。
車両の原動機を構成する電動機と、電動機の主電源を構成する蓄電装置と、を備える車両の電源装置において、蓄電装置を組成する複数のキャパシタセルについて、これらの分担電圧を均等化するための補助電源として車載の電装系電源を用いて蓄電装置を充電するDC-DCコンバータを備え、蓄電装置を組成するキャパシタセルについて、これらの分担電圧のうちの最高電圧Vmaxを検出し、各分担電圧を最高電圧Vmax＋所定値βに均等化することを特徴とする車両用電源装置。
車両の原動機を構成する電動機と、電動機の主電源を構成する蓄電装置と、を備える車両の電源装置において、蓄電装置を組成する複数のキャパシタセルについて、これらの分担電圧を均等化するための補助電源として車載の電装系電源を用いて蓄電装置を充電するDC-DCコンバータを備え、蓄電装置を組成するキャパシタセルについて、これらの分担電圧のうちの最高電圧Vmaxを検出し、各分担電圧を最高電圧Vmax＋所定値βに均等化するのと、キャパシタセルの各分担電圧を蓄電装置の最大電圧に対応する基準電圧に均等化するのと、の選択を行う手段を備えることを特徴とする車両用電源装置。
車両の原動機を構成する電動機と、電動機の主電源を構成する蓄電装置と、を備える車両の電源装置において、蓄電装置を組成する複数のキャパシタセルについて、これらの分担電圧を均等化するための補助電源として車載の電装系電源を用いて蓄電装置を充電するDC-DCコンバータを備え、電動機の主電源が充放電状態のときは DC-DC コンバータによる蓄電装置への充電を禁止することを特徴とする車両用電源装置。
DC-DCコンバータは、主電源回路およびこれと絶縁される電装系電源に対する絶縁型電源を構成することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の車両用電源装置。
DC-DCコンバータは、蓄電装置の最大電圧＋所定値αの高い電圧出力かつ定電流出力を備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の車両用電源装置。