JP5318004B2

JP5318004B2 - 車両用電源システム

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Publication number: JP5318004B2
Application number: JP2010043695A
Authority: JP
Inventors: 孝佳永井; 茂樹原田; 正哉井上; 敏行吉澤; 隆浩浦壁
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-03-01
Filing date: 2010-03-01
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2030-03-01
Also published as: JP2011182540A

Description

この発明は、車両用電源システムに関し、特に車両の制動エネルギの回生と車両の燃費向上とを実現できる車両用電源システムに関するものである。

従来の車両用電源システムは、車両の減速時に、エンジンにより駆動されてバッテリに給電する発電機の発電電圧を、車両の非減速時よりも高くするように構成し、車両の減速時には制動エネルギの回生を積極的に行い、車両の非減速時には発電機の発電電圧を下げることによりエンジンへの負荷を低減させて燃費の向上を図るようにしている（例えば、下記の特許文献１参照）。

特開２００８−６７５０４号公報

上記の特許文献１記載の従来の車両用電源システムでは、発電機の発電電力をバッテリに直接供給してバッテリを充電するように構成されているので、発電機の発電電力を大きく変化させると、バッテリの寿命を縮めることにつながる。その結果、発電機の発電電力を高くする幅を大きくすることができず、バッテリの充電量を大きく増加できないという問題があった。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、バッテリの寿命の低下を抑えて発電機の発電電力を大きく変化できるようにしてバッテリの充電量の増加を図り、しかも、電源システム各部への電力配分を適切に制御できるようにして、電源システム各部への過負荷を防止して高効率化を図るとともに、車両の燃費向上を実現できる車両用電源システムを得ることを目的とする。

この発明による車両用電源システムは、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、この発電機で発生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、車載負荷にバッテリ母線を介して電力を供給するバッテリと、上記発電機からの発電電力の変動を吸収する電気二重層コンデンサと、上記発電母線に入力端が、上記バッテリ母線に出力端がそれぞれ接続された第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、上記発電母線に入力端が、電気二重層コンデンサに出力端がそれぞれ接続された第２ＤＣ／ＤＣコンバータと、上記第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バッテリおよび上記電気二重層コンデンサに充電させる制御回路とを備え、上記第１ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧を所定の目標値に保つように制御される定電圧制御型のＤＣ／ＤＣコンバータ、または入出力間の昇降圧比を所定の目標比率に保つように制御される定昇降圧比制御型のＤＣ／ＤＣコンバータであり、上記第２ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電流を所定の目標電流に保つ定電流型ＤＣ／ＤＣコンバータであり、かつ、上記制御回路により制御される上記第２ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電流の目標値は、上記発電機の発電電力、発電母線電圧、バッテリ母線電圧、および上記電気二重層コンデンサの充電電圧または電圧目標値の内の少なくとも１つに基づき定められている、ことを特徴としている。

この発明によれば、発電機母線電圧を高く設定することが可能となり、発電電力を増大させることができるとともに、車両用電源システム各部への電力配分を適切に制御することが可能となり、燃費の改善と、電源システム各部への過負荷の防止、および長寿命化を同時に達成することができる。

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。この発明の実施の形態１に係る車両用電源システムに用いる発電機の出力特性を示す図である。この発明の実施の形態１に係る車両用電源システムに用いる第１ＤＣ／ＤＣコンバータの一例を示す回路構成図である。この発明の実施の形態１に係る車両用電源システムに用いる第２ＤＣ／ＤＣコンバータの一例を示す回路構成図である。この発明の実施の形態１に係る車両用電源システムの各部の電流、電圧の関係を説明するための図である。この発明の実施の形態１に係る車両用電源システムの制御回路において、第２ＤＣ／ＤＣコンバータの目標入力電流を定めるための機能ブロック図である。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。この発明の実施の形態２に係る車両用電源システムの制御回路において、第２ＤＣ／ＤＣコンバータの目標入力電流の設定や発電機の界磁電流を制御するための機能ブロック図である。

実施の形態１．
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。

この実施の形態１の車両用電源システムは、図外のエンジンにより駆動されて交流電力を発生する発電機１と、発電機１で発生された交流電力を直流電力に整流して発電母線Ａに出力する整流器２と、車載負荷３にバッテリ母線Ｂを介して電力を供給するバッテリ４と、発電機１からの回生電力の変動を吸収する電気二重層コンデンサ６と、発電母線Ａに入力端が接続されると共にバッテリ母線Ｂに出力端が接続された第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５と、発電母線Ａに入力端が接続されると共に電気二重層コンデンサ６に出力端が接続された第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７と、発電機１の発電電力Ｐａ、発電母線Ａに加わる発電母線電圧Ｖａ、バッテリ母線Ｂに加わるバッテリ母線電圧Ｖｂなどを検出して、第１及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ５及び７を制御する制御回路８とを備えている。

ここに、上記の発電機１は、例えば、界磁巻線を有するクローポール型回転子と、３相交流巻線を有する固定子と、レギュレータ回路とを備えたランデル型交流発電機である。また、整流器２は、三相全波整流回路により構成されて、発電機１の３相交流巻線に誘起される交流電力を直流電力に整流する。バッテリ４は、鉛蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池などの二次電池であり、定格電圧は例えば１４Ｖである。また、電気二重層コンデンサ６は、発電機１からの発電電力Ｐａの変動を吸収してバッテリ４側への供給電力を平準化する役目を果たすものである。

図２に発電母線電圧Ｖａが１４Ｖ（実線）、２８Ｖ（一点鎖線）、４２Ｖ（破線）のときの、発電機回転数と出力電力Ｐａとの関係を示す。
図２から分かるように、発電母線電圧Ｖａが一定の場合、回転数が所定のミニマム値以下では発電電力はゼロであり、ミニマム値を超えると回転数が上がるのに伴って次第に発電電力Ｐａが増大して一定値に収束する特性を有する。そして、同じ回転数の場合は、発電母線電圧Ｖａが高いほど、発電電力Ｐａの収束値はより高くなる。また、発電母線電圧Ｖａが高いほど、発電電力がゼロになる回転数のミニマム値は大きい。

ここで、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５としては、入力端を所定の目標電圧に保つ定入力電圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ、または、入出力電圧比を所定の目標電圧比に保つ定昇降圧比型のＤＣ／ＤＣコンバータが適用される。なお、この第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、入出力方向が逆にし得る双方向型のＤＣ／ＤＣコンバータを用いることもできる。

このような前者の定入力電圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとしては、例えば入力端の電圧を目標電圧に保つようにフィードバック制御される降圧チョッパ回路など、一般的なＤＣ／ＤＣコンバータ主回路を用いることができる。

また、後者の定昇降圧比型のＤＣ／ＤＣコンバータとしては、降圧チョッパ回路のスイッチングデューティー比を所定の値に保つように制御したＤＣ／ＤＣコンバータや、あるいは、国際公開番号ＷＯ２００８／０３２４２４号に開示されているようなコンバータが適用される。

この公報記載のコンバータは、例えば図３に示すように、複数のエネルギ移行用コンデンサと、複数のスイッチ素子、およびリアクトルを備え、スイッチ素子のオンオフ動作により、ＬＣ共振を利用してコンデンサ間で電荷を移行することにより、入出力端子間の電圧比を所定の整数比倍に保つ方式のものである。このコンバータは入出力端子間の電圧比が整数倍であるという制約はあるが、チョッパ型など一般的なＤＣ／ＤＣコンバータと比べ、大型のリアクトルが不要であるので、小型で非常に高い効率が得られるという特徴がある。なお、このコンバータの動作の詳細については、国際公開番号ＷＯ２００８／０３２４２４号に詳しく説明されているので、ここでは説明を省略する。

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。

一方、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７としては、入力に流れる電流を所定の目標値に保つ定電流型のＤＣ／ＤＣコンバータを用いる。しかも、この第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、電気二重層コンデンサ６に対して充電と放電の両方向の動作を行う必要があるので、入出力方向が逆にし得る双方向のＤＣ／ＤＣコンバータであることが必須である。

このような双方向の定電流入力型のＤＣ／ＤＣコンバータとしては、例えば、図４に示すように、入力の電流を目標電流に保つようにフィードバック制御される昇降圧チョッパ回路など、一般的なＤＣ／ＤＣコンバータ主回路を適用することができる。

すなわち、図４に示す第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７において、電流検出器１０で検出された入力電流の検出値信号ｉ２ｉは、減算器１１により入力電流目標値ｉ２ｉｔと比較され、その誤差信号を電流制御ループ用ＰＩ制御器１２に通すことによりデューティ信号を得、デューティ信号に従いＰＷＭ発生器１３によってＰＷＭ信号を発生する。ＰＷＭ信号はゲートドライブアンプを介して、ＦＥＴやＩＧＢＴなどのスイッチ素子Ｑ１Ｈ，Ｑ１Ｌ，Ｑ２Ｈ，Ｑ２Ｌのゲートに入力され、各スイッチ素子子Ｑ１Ｈ，Ｑ１Ｌ，Ｑ２Ｈ，Ｑ２Ｌのオンオフを制御することにより、入出力電圧に関わらず、入力電流を一定の電流目標値に保ちつつ、出力に電力を伝える。

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。

なお、ここでは第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７として、入力端に流れる電流を所定の目標値に保つものとしているが、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流と出力電流との関係は、入出力電圧とＤＣ／ＤＣコンバータの効率とによって１対１に定まるので、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流を制御する代わりに出力電流を制御しても良い。

なお、ここでは説明の便宜上、入出力端の一方、すなわち発電母線Ａに繋がる側を「入力」と呼び、他方を「出力」と称しており、必ずしも電力の移行方向を表していない。例えば、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７を介して電気二重層コンデンサ６を放電する場合は、電流は「出力」から流れ込んで「入力」から流れ出し、電力は「出力」側から「入力」側へ移行することになる。

さて、発電母線Ａに、発電機１および整流回路２と、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５と、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７とを接続すると、発電機１および整流回路２の内部インピーダンスは第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５より十分高く、また、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７も前述のように高い入出力インピーダンスを有しているので、発電母線電圧Ｖａは、最も入力インピーダンスの低い、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５のみによって所定の値に設定することが可能となる。

すなわち、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５として定電圧型のＤＣ／ＤＣコンバータを用いることにより、発電母線電圧Ｖａを所定の電圧に保つことが可能となり、定昇降圧比のＤＣ／ＤＣコンバータを用いることにより、発電母線電圧Ｖａを、バッテリ電圧の所定比倍の電圧に保つことが可能となる。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を接続する構成としたためである。

一方、発電機１の回転数と界磁電流が所定の値に決まると、図２に示した特性に従って発電機１の発電電力Ｐａが決まり、さらに、上記のように第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５によって発電母線電圧Ｖａが設定されると、発電母線Ａに出力される発電電流Ｉａも決まることになる。

このように、予め第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５によって発電母線電圧Ｖａを所定の値に設定し、これに伴って発電母線Ａに出力される発電電流Ｉａが決まった状態で、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流Ｉ２ｉを所定の値に定めると、以降、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力電流Ｉ２ｏ、すなわち電気二重層コンデンサ６に流れる電流、および第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の入力電流Ｉ１ｉと出力電流Ｉ１ｏを、全て一意に決めることができる。このことを、図５を用いてさらに詳しく説明する。

まず、発電母線電圧Ｖａは、上述の通り第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５によって予め所定の値に決まっているとする。このときの発電機１の発電電力Ｐａは、図２に示した関係から、発電母線電圧Ｖａと回転速度、界磁電流に応じて所定の値に決まるので、発電機１の出力電流Ｉａは、
Ｉａ＝Ｐａ／Ｖａ（１）
となる。

ここで、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流をＩ２ｉに設定したとする。すると、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力電流Ｉ２ｏは、入力電圧（発電母線電圧）Ｖａと、出力電圧（電気二重層コンデンサ６の充電電圧）Ｖｃと、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の効率η２とから次のように決まる。

すなわち、入力から出力に電力が移行するとき（すなわち、電気二重層コンデンサ６に充電するとき）の出力電流Ｉ２ｏは、
Ｉ２ｏ＝（Ｖａ×Ｉ２ｉ×η２）／Ｖｃ（２）
となる。

逆に、出力から入力に電力が移行するとき（すなわち、電気二重層コンデンサ６から放電するとき）の出力電流Ｉ２ｏは、
Ｉ２ｏ＝（Ｖａ×Ｉ２ｉ）／（Ｖｃ×η２）（３）
となる。

また、電気二重層コンデンサ６の充電電圧Ｖｃ（ｔ）は、コンデンサ容量Ｃと、初期電圧Ｖｃ０と、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力電流Ｉ２ｏとの履歴より、次式で決まる。
Ｖｃ（ｔ）＝｛∫（Ｉ２ｏ／Ｃ）ｄｔ｝＋Ｖｃ０（４）

一方、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の入力電流Ｉ１ｉは、
Ｉ１ｉ＝Ｉａ−Ｉ２ｉ（５）
となる。

また、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電流Ｉ１ｏは、バッテリ母線電圧Ｖｂと、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の効率η１とにより次のように決まる。

すなわち、入力から出力に電力が移行するとき（すなわち、発電母線Ａからバッテリ母線Ｂに電流を流すとき）の出力電流Ｉ１ｏは、
Ｉ１ｏ＝（Ｖａ×Ｉ１ｉ×η１）／Ｖｂ（６）
となる。

逆に、出力から入力に電力が移行するとき（すなわち、バッテリ母線Ｂから発電母線Ａに電流を流すとき）の出力電流Ｉ１ｏは、
Ｉ１ｏ＝（Ｖａ×Ｉ１ｉ）／（Ｖｂ×η１）（７）
となる。

さらに、車載負荷３に流れる総電流をＩＬとすると、バッテリ４から流れ出す電流Ｉｂは、
Ｉｂ＝ＩＬ−Ｉ１ｏ（８）
となる。

なお、バッテリ母線電圧Ｖｂは、略バッテリ４の内部電圧Ｖｂ０であるが、正確にはバッテリ４の内部抵抗Ｒｂとバッテリ電流Ｉｂに依存し、
Ｖｂ＝Ｖｂ０−Ｒｂ×Ｉｂ（９）
となる。

以上のように、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５によって発電母線電圧Ｖａが所定の値になるように設定し、これに伴って発電母線Ａに出力される発電電流Ｉａが決まった状態で、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流Ｉ２ｉの値を制御することにより、車両用電源システムの各部に流れる電流を同時に制御することが可能となる。すなわち、入力電流Ｉ２ｉを適切な値に設定することにより、Ｉ２ｏ、Ｉ１ｉ、Ｉ１ｏ、Ｉｂが制御される。

これをエネルギフローの面から見ると、発電機１、電気二重層コンデンサ６、およびバッテリ４の各系統の３者の間のエネルギの授受を、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流Ｉ２ｉに基づいて制御していることになる。したがって、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流Ｉ２ｉを以下に説明するように適切に制御することにより、車両用電源システム各部への電力配分を制御し、燃費の改善と、電源システム各部への過負荷の防止、長寿命化を同時に達成することが可能となる。

次に、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流Ｉ２ｉを適切に制御する上で必要な前提となる第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５により決定される発電母線電圧Ｖａ、および第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７により決定される入力電流Ｉ２ｉを具体的にどの様に設定するかについて、以下に説明する。

まず、前者の発電母線電圧Ｖａについては、図２に示す特性を利用し、車両速度が速くて発電機１の回転数が高いときは発電母線電圧Ｖａがより高く、車両速度が遅くて発電機１の回転数が低いときは発電母線電圧Ｖａがより低くなるように、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５を用いて設定する。例えば、図２において回転速度がα以下では発電母線電圧Ｖａを１４Ｖに、回転速度がαからβの間では発電母線電圧Ｖａを２８Ｖに、回転速度がβ以上のときは発電母線電圧Ｖａを４２Ｖに設定する。このように設定することにより、発電機１の回転数に応じて最大の発電電力Ｐａを得ることができる。

さらに、車両の加速・減速に対応して、車両を減速するときには、最大の発電電力Ｐａが得られるように設定して回生エネルギをバッテリ４の充電用として有効利用する。また、加速するときや定速走行を行うときには、発電機１の界磁電流を制御するなどして、発電電力Ｐａを減らす、あるいはゼロにすることにより、バッテリ４の充電よりも優先してエンジンの負荷を減らして燃費を向上させる。

次に、後者の第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流Ｉ２ｉについては、前述のように、その設定値により電源システム各部の電流を制御して電力の配分を制御することが可能であるので、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７に対する入力電流目標値Ｉ２ｉｔは、電源システム各部の様々な要因により定めることになる。このことは逆に、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５よりも下流側の電力配分を決めれば、これに伴って第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流Ｉ２ｉは自ずと決まることになる。そこで、ここでは、バッテリ４の寿命や車載負荷３に過負荷が生じないような必要な入力電圧を考慮し、バッテリ母線電圧Ｖｂが常に一定に保たれるように、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流目標値Ｉ２ｉｔを、検出されるバッテリ母線電圧Ｖｂ、発電機１の出力電力値Ｐａ、および発電母線電圧Ｖａに基づいて、以下の（ａ）〜（ｄ）の手順に沿って決定する。

（ａ）バッテリ４の寿命や車載負荷３に必要な入力電圧を考慮して、バッテリ母線電圧Ｖｂができるだけ変動せずに所定の目標値Ｖｂｔに一定に保たれるようにフィードバック制御するため、まず、バッテリ母線電圧Ｖｂを一定に保つ上での第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電流目標値Ｉ１ｏｔを定める。

（ｂ）次に、図外の電圧検出器で検出される発電母線電圧Ｖａとバッテリ母線電圧Ｖｂとの比、すなわち第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の昇降圧比に基づき、前述の（６）式の関係を用いて、上記の手順（ａ）で定めた第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電流目標値Ｉ１ｏｔを、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の入力電流目標値Ｉ１ｉｔに換算する。

（ｃ）続いて、発電機１の回転数と界磁電流に基づいて得られる発電電力Ｐａと、検出された発電母線電圧Ｖａとから、前述の（１）式に基づいて発電機１の出力電流Ｉａを求める。

（ｄ）そして、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流目標値Ｉ２ｉｔを、上記の（ｂ）、（ｃ）の各手順でそれぞれ得られたＩ１ｉｔとＩａとから、次式によって求める。
Ｉ２ｉｔ＝Ｉａ−Ｉ１ｉｔ（１０）

つまるところ、上記の（ａ）〜（ｄ）の手順は、バッテリ母線電圧Ｖｂが常に一定に保たれるように、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電流目標値Ｉ１ｏｔを、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流目標値Ｉ２ｏｔに換算したことに相当する。

図６は、上記（ａ）〜（ｄ）の手順を実現するために、制御回路８内に設けられる制御機能のブロック図である。

まず、図外の電圧検出器で検出されたバッテリ母線電圧Ｖｂは減算器２０によりバッテリ母線電圧目標値Ｖｂｔと比較され、その誤差を電圧制御用ＰＩ制御器２１に入力することにより、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電流目標値Ｉ１ｏｔを得る（上記の手順（ａ））。

次に、前述の（６）式に基づき、積算器２２を用いてＩ１ｏｔとＶｂ／（Ｖａ×η１）の積より第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の入力電流目標値Ｉ１ｉｔを求める（上記の手順（ｂ））。

一方、発電機１の回転数、界磁電流、および図外の電圧検出器で検出された発電母線電圧Ｖａに基づき、これらの値と発電機１の発電電力Ｐａとの関係が予め設定登録されているＬＵＴ（ＬｏｏｋＵｐＴａｂｌｅ）２３を用いて発電機１から出力される発電電力Ｐａを求める。次いで、この発電電力Ｐａを除算器２４を用い発電母線電圧Ｖａで除することにより発電電流Ｉａを求める（上記の手順（ｃ））。

さらに、第２の減算器２５を用い、（１０）式に基づいて第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流目標値Ｉ２ｉｔを導出する（上記の手順（ｄ））。

そして、この入力電流目標値Ｉ２ｉｔを第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の制御ブロックに入力し、入力電流の値Ｉ２ｉが入力電流目標値Ｉ２ｉｔとなるようにフィードバック制御する。

このようにして、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流目標値Ｉ２ｉｔを定め、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流Ｉ２ｉがこの入力電流目標値Ｉ２ｉｔになるようにフィードバック制御することにより、バッテリ母線電圧Ｖｂをその目標値Ｖｂｔに漸近させて略一定に保つことができる。

そして、このバッテリ母線電圧目標値Ｖｂｔをバッテリ４の内部電圧Ｖｂ０の目標値（定格値）に一致するように設定すれば、バッテリ４がバッテリ母線電圧目標値Ｖｂｔまで充電された後は、バッテリ４への充放電電流をゼロに制御することができる。これにより、車載負荷３へ供給する電流ＩＬに一致する電流を発電機１、発電母線Ａ、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５、およびバッテリ母線Ｂを経由して供給することができるので、バッテリ４への充放電を最小限とすることができ、バッテリ４の長寿命化を図ることができる。

このとき、バッテリ母線電圧Ｖｂが常に一定に保たれるように、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電流目標値Ｉ１ｏｔを、前述の（ａ）〜（ｄ）の手順により、バッテリ母線電圧Ｖｂ、発電母線電圧Ｖａ、および発電機１の出力電力Ｐａといった既知のパラメータに基づき、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流目標値Ｉ２ｏｔに換算して制御することにより、制御ループ内の不確定要素を廃し、制御系をより安定させることが可能となる。

また、発電機１は負荷電流に関わらず、減速時は発電量をより大きく、加速時は発電量をより小さく制御できるので、車両減速時の回生エネルギを有効に利用しつつ、バッテリ４への充放電電流を抑制し、燃費を向上させるとともにバッテリ４の長寿命化を図ることができる。

なお、上記の説明では、バッテリ母線電圧Ｖｂを一定に保つように第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電流目標値Ｉ１ｏｔを定めたが、その代わりに、車載負荷３に流れる電流ＩＬを検出し、それに一致するように第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電流目標値Ｉ１ｏｔを定めてもよい。この場合、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電流目標値Ｉ１ｏｔから、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流目標値Ｉ２ｉｏを導出する方法は、上述の方法と同じでよい。

実施の形態２．
図７は発明の実施の形態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り、図１に示した実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。

第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力電流（電流履歴）は、前述の（４）式に示したとおり、電気二重層コンデンサ６の充電電圧Ｖｃにも影響し、後述するように、充電電圧Ｖｃが大きくなり過ぎると寿命が短くなり、また、充電電圧Ｖｃが少な過ぎると充放電電流Ｉｃが過大になるといった不都合を生じる。そこで、実施の形態２では、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流Ｉ２ｉを定めるに当たり、電気二重層コンデンサ６の電圧Ｖｃも参照することとした。

具体的には、実施の形態１で説明したように、バッテリ母線電圧Ｖｂが一定に保たれるように定めた上で、発電機１の発電電力Ｐａ、発電母線電圧Ｖａ、およびバッテリ母線電圧Ｖｂに基づいて、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流Ｉ２ｉを、前述の（ａ）〜（ｄ）の手順に沿って設定し、さらに、以下に述べる（ｅ）、（ｆ）の手順によって電気二重層コンデンサ６の最大・最小充電電圧Ｖｃｍａｘ，Ｖｃｍｉｎを定める。そして、電気二重層コンデンサ６の充電電圧Ｖｃが最大・最小充電電圧Ｖｃｍａｘ，Ｖｃｍｉｎで決まる上下範囲を逸脱しないように、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流Ｉ２ｉを制御、ないし制限する。

（ｅ）最大充電電圧Ｖｃｍａｘの設定
電気二重層コンデンサ６の最大充電電圧Ｖｃｍａｘを、最大定格電圧や目標寿命に基づいて予め設定しておき、この設定した最大定格電圧を超えないように第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流Ｉ２ｉを制御する。

電気二重層コンデンサ６の最大定格電圧は、種類にもよるが、例えば単セルあたり２．５Ｖであり、コンデンサユニット内でセルを複数直列に接続することにより、ユニットあたりの最大定格電圧が決まる。さらに、電圧を軽減して使用することにより寿命は長くなり、例えば０．１Ｖ電圧を下げる毎に、寿命が２倍になる、といったような経験則がある。したがって、定格電圧時の定格寿命と電圧軽減による長寿命化の経験則より、目標寿命を満たすように最大充電電圧Ｖｃｍａｘを定める。

そして、最大充電電圧Ｖｃｍａｘを超えそうになった場合、電気二重層コンデンサ６の過充電を防ぐために、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流Ｉ２ｉを減らす、あるいはゼロにする。その際、発電電力Ｐａが一定であると、電気二重層コンデンサ６は発電機１からの発電電力Ｐａを一時的に吸収する役目を果たさなくなるので、バッテリ母線Ｂへの出力電流が増大する。特に、車両の減速時は、既述のようにできるだけ大きな回生電力が得られるように発電機１をおよび発電母線電圧Ｖａを制御するので、バッテリ母線Ｂへの出力電流Ｉｉｏが過大となり、バッテリ母線電圧Ｖｂが上昇したり、バッテリ４を劣化させたりする恐れがある。

そこで、電気二重層コンデンサ６の充電電圧Ｖｃが最大充電電圧Ｖｃｍａｘを超えそうになった場合には、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流Ｉ２ｉの制御から、発電機１の界磁電流の制御に切替えて、車両の加速・減速に関わらず発電電力Ｐａを負荷電流に見合う値まで減らすようにする。その際、同時に第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５を制御することにより、発電機１の発電母線電圧Ｖａを下げ、モータの回転数が高い場合でも小さな発電電力が得られるようにしてもよい。

（ｆ）最小充電電圧Ｖｃｍｉｎの設定
電気二重層コンデンサ６への瞬時充放電電力は、電気二重層コンデンサ６の（充電電圧Ｖｃ）×（充放電電流Ｉｃ）で決まる。充放電電力を所定の値とすると、充電電圧Ｖｃが低すぎると充放電電流Ｉｃが過大となる。瞬時充放電電力の最大値は発電機１の最大出力電力と考えられるので、発電機１の最大出力電力と、電気二重層コンデンサ６の最大定格充放電電流、または第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の最大出力電流定格値のいずれか低い方に基づき、電気二重層コンデンサ６の最小充電電圧Ｖｃｍｉｎを定め、この電圧を下回らないように第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流Ｉ２ｉ（電気二重層コンデンサ６から発電母線Ａ側への放電電流）を制御する。

この最小充電電圧Ｖｃｍｉｎは、あまり高く設定すると、電気二重層コンデンサ６に充放電可能なエネルギ量が減ってしまうので、例えば最大充電電圧Ｖｃｍａｘの１／２〜１／４程度に設定する。そして、電気二重層コンデンサ６の最小充電電圧Ｖｃｍｉｎを下回りそうになった場合には、電気二重層コンデンサ６の充電電圧Ｖｃがさらに低下しないように、電気二重層コンデンサ６からの電流の流出を止めるが、それでもさらに漏れ電流等により電気二重層コンデンサ６の電圧が少しずつ下がっていく場合があるので、これを補償する程度の充電電流を流すようにする。

このとき、既述のように車両の加速時に発電を停止したままだと、バッテリ母線Ｂへの電力の供給が止まり、バッテリ母線電圧Ｖｂが低下したり、バッテリ４から車載負荷３に流れる電流ＩＬが過大となったり、バッテリ４の充電量が低下したりする。

そこで、電気二重層コンデンサ６の充電電圧Ｖｃが最大充電電圧Ｖｃｍｉｎを下回りそうになった場合には、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流Ｉ２ｉの制御から、発電機１の界磁電流の制御に切替えて、車両の加速・減速に関わらず発電電力Ｐａを負荷電流に見合う値まで増大させるようにする。その際、同時に第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５を制御することにより、発電母線電圧Ｖａの電圧を上げてより大きな発電電力Ｐａが得られるようにしてもよい。

図８は、実施の形態１で説明した前述の（ａ）〜（ｄ）の手順、およびこの実施の形態２として上記（ｅ）、（ｆ）で説明した手順を実現するために、制御回路８内に設けられる制御機能のブロック図である。以下、図８において、実施の形態１で説明した図６の機能ブロック図との構成の相違点について説明する。

第２減算器２５で得られる第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流目標値Ｉ２ｉｔは、リミッタ３０により、最大値と最小値が制限される。ここで、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流目標値Ｉ２ｉｔにおいて、正のときは発電母線Ａから電気二重層コンデンサ６に向かって電流が流れる場合の大きさを、また、負のときは電気二重層コンデンサ６から発電母線Ａに電流が流れる場合の大きさを、それぞれ表す。

図外の電圧検出器で検出された電気二重層コンデンサ６の充電電圧Ｖｃは、両比較器３１，３２により、予め設定された最大充電電圧Ｖｃｍａｘ、最小充電電圧Ｖｃｍｉｎと比較される。

このとき、電気二重層コンデンサ６の充電電圧Ｖｃが最大充電電圧Ｖｃｍａｘを超えた場合には、入力電流Ｉ２ｉの最大値として“０”を設定する、すなわち、電気二重層コンデンサ６に電流が流入しないように制限をかける。

また、電気二重層コンデンサ６の充電電圧Ｖｃが最小充電電圧Ｖｃｍｉｎを下回った場合には、入力電流Ｉ２ｉの最小値として正の値であるＩｃｈｇを設定する。すなわち、電気二重層コンデンサ６から電流が流出しないように制限をかけるとともに、電気二重層コンデンサ６の漏れ電流によって充電電圧Ｖｃがさらに下がらないように充電を行う。Ｉｃｈｇは、漏れ電流を補償する程度の小さな値でよい。

リミッタ３０は、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流目標値Ｉ２ｉｔにリミットがかかっているとき（すなわち、電気二重層コンデンサ６の電圧Ｖｃが最大充電電圧Ｖｃｍａｘを超えた場合や、最小充電電圧Ｖｃｍｉｎを下回った場合）、そのことを知らせる信号ＬｉｍＯＮをイネーブル付きバッファ３４に対してイネーブル信号として出力する。

バッファ３４がイネーブルになると、界磁制御用ＰＩ制御器３３の出力がバッファ３４を通過するようになるので、界磁制御用のフードバック制御系が機能し始める。すなわち、図外の電圧検出器で検出されたバッテリ母線電圧Ｖｂとバッテリ電圧目標値Ｖｂｔとの誤差信号は、界磁制御用ＰＩ制御器３３により界磁信号に変換され、イネーブルとなったバッファ３４を通過して発電機１に対して界磁制御信号として出力される。これにより、電気二重層コンデンサ６への充放電が無くても、車載負荷３の電力需要に見合った発電電力Ｐａが得られるようにフィードバック制御される。

すなわち、制御回路８は、前述のように、電気二重層コンデンサ６の充電電圧Ｖｃが最大充電電圧Ｖｃｍａｘを超えた場合には、発電機１の界磁電流を制御して、車両の加速・減速に関わらず発電電力Ｐａを負荷電流に見合う値まで減らすようにする。また、電気二重層コンデンサ６の充電電圧Ｖｃが最小充電電圧Ｖｃｍｉｎを下回った場合には、発電機１の界磁電流を制御して、車両の加速・減速に関わらず発電電力Ｐａを負荷電流に見合う値まで増大させる。

ただし、この場合、車両の加速・減速に応じて発電電力Ｐａが増減されるため、これに伴って燃費を向上させる効果は一時的に失われることになる。そのため、あくまでも電気二重層コンデンサ６の電圧範囲（Ｖｃｍｉｎ〜Ｖｃｍａｘ）を超えないようにするための一時的な処置として行う。

以上のように、この実施の形態２によれば、電気二重層コンデンサ６の充電電圧Ｖｃを参照して、予め設定した最大・最小充電電圧Ｖｃｍａｘ，Ｖｃｍｉｎの範囲を超えないように第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７の入力電流Ｉ２ｉを制御するとともに、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５および発電機１を協調させて制御することにより、最大・最小充電電圧Ｖｃｍａｘ，Ｖｃｍｉｎの範囲内では実施の形態１に示したように、車両の加速・減速に応じて発電電力Ｐａを増減することにより燃費を向上させつつ、最小・最大充電電圧Ｖｃｍａｘ，Ｖｃｍｉｎに近づいた場合でも、電気二重層コンデンサ６や第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７に過電圧、過電流が加わることを防ぎつつ、バッテリ系統に対して負荷電流に応じた適正な電流を供給することが可能となり、バッテリ４の長寿命化を図ることができる。

１発電機、２整流器、３車載負荷、４バッテリ、
５第１ＤＣ／ＤＣコンバータ、６電気二重層コンデンサ、
７第２ＤＣ／ＤＣコンバータ、８制御回路、Ａ発電母線、Ｂバッテリ母線。

Claims

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、
上記発電機で発生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、
車載負荷にバッテリ母線を介して電力を供給するバッテリと、
上記発電機からの発電電力の変動を吸収する電気二重層コンデンサと、
上記発電母線に入力端が、上記バッテリ母線に出力端がそれぞれ接続された第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、
上記発電母線に入力端が、電気二重層コンデンサに出力端がそれぞれ接続された第２ＤＣ／ＤＣコンバータと、
上記第１、第２ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御回路と、
を備え、
上記第１ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧を所定の目標値に保つように制御される定電圧制御型のＤＣ／ＤＣコンバータ、または入出力間の昇降圧比を所定の目標比率に保つように制御される定昇降圧比制御型のＤＣ／ＤＣコンバータであり、
上記第２ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電流を所定の目標値に保つ定電流型ＤＣ／ＤＣコンバータであり、
かつ、上記制御回路により制御される上記第２ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電流の目標値は、上記発電機の発電電力、発電母線電圧、バッテリ母線電圧、および上記電気二重層コンデンサの充電電圧または電圧目標値の内の少なくとも１つに基づき定められている車両用電源システム。
上記制御回路は、上記第２ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電流を、上記バッテリ母線電圧が所定の値に保たれるようにフィードバック制御するものである請求項１に記載の車両用電源システム。
上記第２ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電流の目標値は、バッテリ母線電圧を一定に保つようにフィードバック制御により設定される第１ＤＣ／ＤＣコンバータの目標出力電流を、バッテリ母線電圧、発電母線電圧、および発電機の出力電力に基づき、上記第２ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電流の目標値に換算することによって定められるものである請求項２に記載の車両用電源システム。
上記制御回路は、上記第２ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電流の目標値を、上記電気二重層コンデンサの充電電圧が予め設定された電圧範囲から逸脱しないように制限する請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の車両用電源システム。
上記電気二重層コンデンサの充電電圧が、上記電圧範囲の上限および下限に達した場合には、上記制御回路は、車両の加速・減速に関わらず、上記バッテリ母線電圧を所定の値に保つように、上記発電機の発電電力を制御する請求項４に記載の車両用電源システム。
上記制御回路は、上記発電機の発電電力を、車両の加速時よりも減速時により大きな電力を発生させるように制御する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の車両用電源システム。