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図面 (17)

課題

二次電池充放電を簡単、且つ、安定して制御できる二次電池制御装置を提供すること

解決手段

電圧指令が二次電池5の目標電流値20と電流センサ9で検出される二次電池5の充放電電流値との偏差PI制御して生成され、電流指令負荷電流演算回路25で演算される負荷電流と二次電池5の目標電流値20とを加算して生成される。これにより、電圧指令と電流指令とを、同じパラメータを使って生成する場合よりも、電圧指令と電流指令との一方を固定してしまう場合よりも、二次電池の充放電を簡単、且つ、安定して制御できる。

概要

背景

従来より、シリーズハイブリッド駆動システムを搭載した鉄道車両産業車両クレーントラックバス等の車両が知られている。シリーズハイブリッド駆動システムは、エンジン動力発電した電力を使って走行モータを駆動し、車両を走行させるシステムである。

図6は、シリーズハイブリッド駆動システム100の構成図である。シリーズハイブリッド駆動システム100は、主に、エンジン101と、発電機102と、定電圧定電流式直流電源103(以下、CV/CC電源103と称す)と、二次電池104と、走行インバータ105と、走行モータ106と、コントローラ107とによって構成されている。

シリーズハイブリッド駆動システム100は、特に、CV/CC電源103を使って二次電池104の充放電を制御するタイプである。このタイプのシリーズハイブリッド駆動システム100を搭載した車両は、例えば、加速定速状態でCV/CC電源103と二次電池104との双方から電力を供給するパターン、二次電池104からの電力供給加速状態だけとするパターン、加速、定速状態で二次電池104を充電するパターン等、種々の電力パターンでの走行が可能となり、燃料消費を低減できる。

CV/CC電源103は、発電機102と走行インバータ105との間に接続され、負荷が変化しても出力電圧を一定に保つ定電圧電源と、負荷が変化しても出力電流を一定に保つ定電流電源との2つの機能を有している。尚、定電圧電源として動作する状態をCVモード、定電流電源として動作する状態をCCモードと称している。CV/CC電源103には、コントローラ107から電圧指令と、電流指令とが出力され、CV/CC電源103は、その電圧指令と電流指令とに従って出力電圧と出力電流とを制御する。

図7は、CV/CC電源103の動作を説明する図である。CV/CC電源103に電圧指令と、電流指令とが出力されたとする。この場合、CV/CC電源103に接続されている走行モータ106による負荷抵抗RLが、CV/CC電源103の出力抵抗Rcよりも大きい場合(RL>Rc)、CV/CC電源103はCVモードで動作する。CVモードでは、出力電圧が電圧指令で指示されている電圧を保つように、出力電流を制御する。但し、出力電流が電流指令で指示されている電流を超えることはなく、出力電流が電流指令で指示されている電流に達した場合には、自動的にCCモードに切り替わり、電流指令で指示されている電流を出力する。即ち、出力電流は、電流指令によって制限されている。

逆に、負荷抵抗RLが、CV/CC電源103の出力抵抗Rcよりも小さい場合には(RL<Rc)、CCモードで動作する。CCモードでは、出力電流が電流指令で指示されている電流を保つように、出力電圧を制御する。但し、出力電圧が、電圧指令で指示されている電圧を超えることはなく、出力電圧が、電圧指令で指示されている電圧に達した場合には、自動的にCVモードに切り替わり、電圧指令で指示されている電圧を出力する。即ち、出力電圧は、電圧指令によって制限されている。

シリーズハイブリッド駆動システム100では、かかるCV/CC電源103に対し、コントローラ107から電圧指令、電流指令を出力することで、二次電池104の充放電を制御している。

図6に戻り、説明を続ける。コントローラ107は、例えば、マイクロプロセッサによって構成され、コントローラ107には、CV/CC電源103と、二次電池104の充放電電流値(プラスの場合に充電、マイナスの場合に放電)を検出する電流センサ108とが信号ライン(図中点線矢印参照)を介して接続されている。コントローラ107は、電流センサ108で検出される電流値(二次電池104の充放電電流値)が、予め設定されている目標値となるように電圧指令と、電流指令とを生成し、その生成した電圧指令と電流指令とをCV/CC電源103に出力して、二次電池104の充放電を制御する。

ここで、コントローラ107が二次電池104の充放電を制御する方法について説明する。かかる制御方法としては、図8〜図10に示す3つの制御方法が知られている。図8は、第1の制御方法を説明する図であって、コントローラ107の内部構成を示す機能的ブロック図である。尚、図8〜図10では、エンジン101と、発電機102との図示は省略してある。

第1の制御方法は、電流指令は固定し、電圧指令を制御する方法である。第1の制御方法において、コントローラ107は、CV/CC電源103の最大出力電流値111(既定値)をリミッタ112に出力し、リミッタ112からの出力を電流指令としてCV/CC電源103に出力する。また、コントローラ107は、電流センサ108で検出される電流値(二次電池104の充放電電流値)をローパスフィルタ116を介して減算器115に出力し、減算器115で二次電池104の目標電流値110との偏差を算出する。そして、算出した偏差を、PI制御器113(電圧指令用のPI定数が設定)を介して、リミッタ114に出力し、リミッタ114からの出力を電圧指令としてCV/CC電源103に出力する。これにより、CV/CC電源103から、電圧指令と電流指令とに従った出力電圧と出力電流とが出力され、二次電池104の充放電が制御される。

尚、電流センサ108で検出される電流値は、図示しない入出力ポートを介してローパスフィルタ116に出力され、リミッタ112から出力される電流指令と、リミッタ114から出力される電圧指令とは、図示しない入出力ポートを介してCV/CC電源103に出力される。

図9は、第2の制御方法を説明する図であって、コントローラ107の内部構成を示す機能的ブロック図である。第2の制御方法は、電圧指令は固定し、電流指令を制御する方法である。

第2の制御方法において、コントローラ107は、二次電池104の充電電圧上限値117(既定値)をリミッタ114に出力し、リミッタ114からの出力を電圧指令としてCV/CC電源103に出力する。また、コントローラ107は、電流センサ108で検出される電流値(二次電池104の充放電電流値)をローパスフィルタ116を介して減算器115に出力し、減算器115で二次電池104の目標電流値110との偏差を算出する。そして、算出した偏差値を、PI制御器119(電流指令用のPI定数が設定)を介して、リミッタ112に出力し、リミッタ112からの出力を電流指令としてCV/CC電源103に出力する。これにより、CV/CC電源103から電圧指令と電流指令とに従った出力電圧と出力電流とが出力され、二次電池104の充放電が制御される。

図10は、第3の制御方法を説明する図であって、コントローラ107の内部構成を示す機能的ブロック図である。第3の制御方法は、電圧指令と、電流指令との両方を制御する方法である。

第3の制御方法において、コントローラ107は、電流センサ108で検出される電流値(二次電池104の充放電電流値)をローパスフィルタ116を介して減算器115に出力し、減算器115で二次電池104の目標電流値110との偏差を算出する。そして、かかる偏差を、PI制御器113を介して、リミッタ114に出力し、リミッタ114からの出力を電圧指令としてCV/CC電源103に出力する。また、減算器115で算出した偏差を、PI制御器119を介して、リミッタ112に出力し、リミッタ112からの出力を電流指令としてCV/CC電源103に出力する。これにより、CV/CC電源103から、電圧指令と電流指令とに従った出力電圧と出力電流とが出力され、二次電池104の充放電が制御される。

尚、二次電池の充放電を制御する方法としては、上述した制御方法の他にも、充電電圧値充電電流値とに関する信号に基づいて、電圧調節器電流調節器とによって二次電池の充放電を制御する方法が次の特許文献1に記載されている。

概要

二次電池の充放電を簡単、且つ、安定して制御できる二次電池制御装置を提供すること電圧指令が二次電池5の目標電流値20と電流センサ9で検出される二次電池5の充放電電流値との偏差をPI制御して生成され、電流指令が負荷電流演算回路25で演算される負荷電流と二次電池5の目標電流値20とを加算して生成される。これにより、電圧指令と電流指令とを、同じパラメータを使って生成する場合よりも、電圧指令と電流指令との一方を固定してしまう場合よりも、二次電池の充放電を簡単、且つ、安定して制御できる。

目的

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、特に、二次電池の充放電を簡単、且つ、安定して制御できる二次電池制御装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
0件

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請求項1

入力される電圧指令電流指令とに基づいて定電圧電源定電流電源との少なくとも一方として機能する定電圧定電流電源と、その定電圧定電流電源と接続される負荷装置と、その負荷装置と前記定電圧定電流電源との間から分岐して接続される二次電池とを備え、前記二次電池の充放電電流目標電流に制御する二次電池制御装置において、前記二次電池の充放電電流を検出する検出手段と、その検出手段により検出された充放電電流と、前記目標電流との偏差PI制御した値を前記電圧指令として生成し前記定電圧定電流電源に出力する電圧指令手段と、前記負荷装置で消費された負荷電流を算出する算出手段と、その算出手段により算出された負荷電流と、前記目標電流との加算値を、前記電流指令として生成し前記定電圧定電流電源に出力する電流指令手段とを備えていることを特徴とする二次電池制御装置。

請求項2

前記負荷装置は、前記定電圧定電流電源と接続されるインバータと、そのインバータと接続されるモータとを備え前記算出手段は、前記インバータのトルクと前記モータの回転数との乗算値を、前記インバータへの入力電圧と前記インバータのインバータ効率との乗算値で除算して、前記負荷電流を算出することを特徴とする請求項1に記載の二次電池制御装置。

請求項3

前記モータが始動してから所定の回転数に到達するまでのモータ始動期間かを判断する判断手段と、前記判断手段によってモータ始動期間であると判断された場合に、前記電流指令手段から前記電流指令を出力するのを禁止する禁止手段とを備えていることを特徴とする請求項2に記載の二次電池制御装置。

請求項4

前記電流指令として、前記定電圧定電流電源から出力可能最大電流を前記定電圧定電流電源に出力する最大電流指令手段を備え、前記禁止手段は、前記判断手段によってモータ始動期間であると判断された場合に、前記電流指令手段から前記電流指令を出力するのを禁止して、前記最大電流指令手段から電流指令を出力させ、前記判断手段によってモータ始動期間でないと判断された場合に、前記最大電流指令手段から前記電流指令を出力するのを禁止して、前記電流指令手段から電流指令を出力させることを特徴とする請求項3に記載の二次電池制御装置。

請求項5

エンジンと、そのエンジンの動力により駆動して前記定電圧定電流電源に供給する電力発電する発電機とを備えていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の二次電池制御装置。

技術分野

0001

本発明は、二次電池制御装置に関し、特に、二次電池充放電を簡単、且つ、安定して制御できる二次電池制御装置に関するものである。

背景技術

0002

従来より、シリーズハイブリッド駆動システムを搭載した鉄道車両産業車両クレーントラックバス等の車両が知られている。シリーズハイブリッド駆動システムは、エンジン動力発電した電力を使って走行モータを駆動し、車両を走行させるシステムである。

0003

図6は、シリーズハイブリッド駆動システム100の構成図である。シリーズハイブリッド駆動システム100は、主に、エンジン101と、発電機102と、定電圧定電流式直流電源103(以下、CV/CC電源103と称す)と、二次電池104と、走行インバータ105と、走行モータ106と、コントローラ107とによって構成されている。

0004

シリーズハイブリッド駆動システム100は、特に、CV/CC電源103を使って二次電池104の充放電を制御するタイプである。このタイプのシリーズハイブリッド駆動システム100を搭載した車両は、例えば、加速定速状態でCV/CC電源103と二次電池104との双方から電力を供給するパターン、二次電池104からの電力供給加速状態だけとするパターン、加速、定速状態で二次電池104を充電するパターン等、種々の電力パターンでの走行が可能となり、燃料消費を低減できる。

0005

CV/CC電源103は、発電機102と走行インバータ105との間に接続され、負荷が変化しても出力電圧を一定に保つ定電圧電源と、負荷が変化しても出力電流を一定に保つ定電流電源との2つの機能を有している。尚、定電圧電源として動作する状態をCVモード、定電流電源として動作する状態をCCモードと称している。CV/CC電源103には、コントローラ107から電圧指令と、電流指令とが出力され、CV/CC電源103は、その電圧指令と電流指令とに従って出力電圧と出力電流とを制御する。

0006

図7は、CV/CC電源103の動作を説明する図である。CV/CC電源103に電圧指令と、電流指令とが出力されたとする。この場合、CV/CC電源103に接続されている走行モータ106による負荷抵抗RLが、CV/CC電源103の出力抵抗Rcよりも大きい場合(RL>Rc)、CV/CC電源103はCVモードで動作する。CVモードでは、出力電圧が電圧指令で指示されている電圧を保つように、出力電流を制御する。但し、出力電流が電流指令で指示されている電流を超えることはなく、出力電流が電流指令で指示されている電流に達した場合には、自動的にCCモードに切り替わり、電流指令で指示されている電流を出力する。即ち、出力電流は、電流指令によって制限されている。

0007

逆に、負荷抵抗RLが、CV/CC電源103の出力抵抗Rcよりも小さい場合には(RL<Rc)、CCモードで動作する。CCモードでは、出力電流が電流指令で指示されている電流を保つように、出力電圧を制御する。但し、出力電圧が、電圧指令で指示されている電圧を超えることはなく、出力電圧が、電圧指令で指示されている電圧に達した場合には、自動的にCVモードに切り替わり、電圧指令で指示されている電圧を出力する。即ち、出力電圧は、電圧指令によって制限されている。

0008

シリーズハイブリッド駆動システム100では、かかるCV/CC電源103に対し、コントローラ107から電圧指令、電流指令を出力することで、二次電池104の充放電を制御している。

0009

図6戻り、説明を続ける。コントローラ107は、例えば、マイクロプロセッサによって構成され、コントローラ107には、CV/CC電源103と、二次電池104の充放電電流値(プラスの場合に充電、マイナスの場合に放電)を検出する電流センサ108とが信号ライン(図中点線矢印参照)を介して接続されている。コントローラ107は、電流センサ108で検出される電流値(二次電池104の充放電電流値)が、予め設定されている目標値となるように電圧指令と、電流指令とを生成し、その生成した電圧指令と電流指令とをCV/CC電源103に出力して、二次電池104の充放電を制御する。

0010

ここで、コントローラ107が二次電池104の充放電を制御する方法について説明する。かかる制御方法としては、図8図10に示す3つの制御方法が知られている。図8は、第1の制御方法を説明する図であって、コントローラ107の内部構成を示す機能的ブロック図である。尚、図8図10では、エンジン101と、発電機102との図示は省略してある。

0011

第1の制御方法は、電流指令は固定し、電圧指令を制御する方法である。第1の制御方法において、コントローラ107は、CV/CC電源103の最大出力電流値111(既定値)をリミッタ112に出力し、リミッタ112からの出力を電流指令としてCV/CC電源103に出力する。また、コントローラ107は、電流センサ108で検出される電流値(二次電池104の充放電電流値)をローパスフィルタ116を介して減算器115に出力し、減算器115で二次電池104の目標電流値110との偏差を算出する。そして、算出した偏差を、PI制御器113(電圧指令用のPI定数が設定)を介して、リミッタ114に出力し、リミッタ114からの出力を電圧指令としてCV/CC電源103に出力する。これにより、CV/CC電源103から、電圧指令と電流指令とに従った出力電圧と出力電流とが出力され、二次電池104の充放電が制御される。

0012

尚、電流センサ108で検出される電流値は、図示しない入出力ポートを介してローパスフィルタ116に出力され、リミッタ112から出力される電流指令と、リミッタ114から出力される電圧指令とは、図示しない入出力ポートを介してCV/CC電源103に出力される。

0013

図9は、第2の制御方法を説明する図であって、コントローラ107の内部構成を示す機能的ブロック図である。第2の制御方法は、電圧指令は固定し、電流指令を制御する方法である。

0014

第2の制御方法において、コントローラ107は、二次電池104の充電電圧上限値117(既定値)をリミッタ114に出力し、リミッタ114からの出力を電圧指令としてCV/CC電源103に出力する。また、コントローラ107は、電流センサ108で検出される電流値(二次電池104の充放電電流値)をローパスフィルタ116を介して減算器115に出力し、減算器115で二次電池104の目標電流値110との偏差を算出する。そして、算出した偏差値を、PI制御器119(電流指令用のPI定数が設定)を介して、リミッタ112に出力し、リミッタ112からの出力を電流指令としてCV/CC電源103に出力する。これにより、CV/CC電源103から電圧指令と電流指令とに従った出力電圧と出力電流とが出力され、二次電池104の充放電が制御される。

0015

図10は、第3の制御方法を説明する図であって、コントローラ107の内部構成を示す機能的ブロック図である。第3の制御方法は、電圧指令と、電流指令との両方を制御する方法である。

0016

第3の制御方法において、コントローラ107は、電流センサ108で検出される電流値(二次電池104の充放電電流値)をローパスフィルタ116を介して減算器115に出力し、減算器115で二次電池104の目標電流値110との偏差を算出する。そして、かかる偏差を、PI制御器113を介して、リミッタ114に出力し、リミッタ114からの出力を電圧指令としてCV/CC電源103に出力する。また、減算器115で算出した偏差を、PI制御器119を介して、リミッタ112に出力し、リミッタ112からの出力を電流指令としてCV/CC電源103に出力する。これにより、CV/CC電源103から、電圧指令と電流指令とに従った出力電圧と出力電流とが出力され、二次電池104の充放電が制御される。

0017

尚、二次電池の充放電を制御する方法としては、上述した制御方法の他にも、充電電圧値充電電流値とに関する信号に基づいて、電圧調節器電流調節器とによって二次電池の充放電を制御する方法が次の特許文献1に記載されている。

先行技術

0018

特開2007—215251号公報

発明が解決しようとする課題

0019

しかしながら、図8図10に示す第1〜第3の制御方法では、次の問題点があった。まず、第1の制御方法において、CVモードで動作している場合に、例えば、温度上昇により二次電池104の内部抵抗が急激に低下し、負荷抵抗RLが急激に低くなると、CVモードからCCモードに切り替わる。そうすると、CV/CC電源103は、電圧指令を維持しようとして大電流を供給する。そして、かかる大電流が二次電池104に供給され、二次電池104が充電される。そうすると、コントローラ107は、電圧指令を下げようと制御するが、電圧指令は、二次電池104の目標電流値110と、電流センサ108で検出される電流値(二次電池104の充放電電流値)との偏差に比例しているので、今度は、二次電池104が放電される。そのため、二次電池104の充放電電流ハンチング現象が発生し、二次電池104の温度が益々上昇し、ハンチングが収まらなくなる。そして、ハンチングが過大になると、各電子回路が電圧異常を検出してしまう。このように、第1の制御方法では、二次電池104の充放電電流を安定して制御できないという問題点があった。

0020

図11と、図12とは、図8に示す第1の制御方法(電流指令は固定、電圧指令を制御)を模擬試験装置実験した実験結果を示すグラフであり、図11が二次電池104の温度が20度の場合、図12が二次電池104の温度が30度の場合を示している。尚、模擬試験装置とは、図6に示すシリーズハイブリッド駆動システム100において、エンジン101と発電機102とを商用電源代替し、走行インバータ105と、走行モータ106とを電子負荷装置に代替した装置である。また、本実験では、二次電池104の目標電流値110を0Aとした。

0021

その結果、図11図12に示す通り、二次電池104の温度が20度の場合にも、30度の場合にも、電流指令は右軸に示す1000で固定され、電圧指令は右軸に示す2750付近で変動し、CV/CC電源103の出力電流は左軸に示す2A〜30Aで変動し、一点鎖線で示すCV/CC電源103の出力電圧は左軸に示す27V付近で変動して出力された。

0022

そして、点線で示すバッテリ電流(電流センサ108で検出される二次電池104の充放電電流)は、いずれも左軸に示す0Aに対してハンチング現象が発生していることが確認された。尚、図12に示す二次電池104の温度が30度の場合の方が、図11に示す20度の場合よりもハンチング現象が顕著に発生しているのは、図8に示すPI制御器119に設定されているPI定数が、二次電池104の温度が30度よりも20度に近い場合を想定して設定されているからである。

0023

かかる二次電池104の温度がPI定数に与える影響を考慮すれば、二次電池104の温度を逐次検出し、その温度に応じたPI定数を逐次設定することも考えられる。しかし、温度に応じてPI定数を設定するには、温度上昇検証試験が必要になり手間である。しかも、二次電池104の内部抵抗は、温度上昇により低下するが、経年変化充電率(SOC)の低下により増加するので、それを踏まえて温度に応じてPI定数を設定するのは更に手間である、という問題点を招来する。

0024

次に、図9に示す第2の制御方法では、以下の問題点があった。図13図14は、第2の制御方法(電圧指令は固定、電流指令を制御)を上述した模擬試験装置で実験した実験結果を示すグラフであり、図13が二次電池104の温度が25度の場合、図14が二次電池104の温度が28度の場合を示している。また、本実験では、二次電池104の目標電流値110を0Aとする場合について実験した。

0025

その結果、図13に示す二次電池104の温度が25度の場合、電圧指令は右軸に示す2870で固定され、電流指令は右軸に示す100〜600で変動し、CV/CC電源103の出力電流は左軸に示す4A〜28Aで変動し、一点鎖線で示すCV/CC電源103の出力電圧は左軸に示す27V付近で変動して出力された。また、図14に示す二次電池104の温度が28度の場合、電圧指令は右軸に示す2870で固定され、電流指令は右軸に示す400〜600で変動し、CV/CC電源103の出力電流は左軸に示す20A〜28Aで変動し、一点鎖線で示すCV/CC電源103の出力電圧は左軸に示す27V付近で変動して出力された。

0026

そして、点線で示すバッテリ電流(電流センサ108で検出される二次電池104の充放電電流)は、いずれも電流リップル脈動)が発生することが確認された。電流リップルが発生するのは、CV/CC電源103の出力電流は、生成された電流指令に従って出力されるからである。即ち、CV/CC電源103の出力電流は、負荷に対して遅れて出力されるので、その間に二次電池104が充放電され、その立ち上がり(充電)と、立ち下がり(放電)とにおいて電流リップルが発生するのである。このように、第2の制御方法では、電流リップルが発生し、電流リップルが発生すると、発熱の原因となり、二次電池104の内部抵抗が変化して、二次電池104の充放電電流を安定して制御ができない、という問題点があった。

0027

尚、第2の制御方法では、電圧指令は二次電池104の充電電圧上限値で固定され、かかる充電電圧上限値は、二次電池104の充電率(SOC)を100%に設定する値であり、通常運転中に二次電池104の充電率(SOC)が100%になることはない。そのため、第2の制御方法では、常時、CCモードで動作することになる。よって、二次電池104の内部抵抗が急激に小さくなっても、第1の制御方法のようにハンチング現象は発生しない。

0028

次に、図10に示す第3の制御方法では、以下の問題点があった。図15図16は、第3の制御方法(電圧指令と、電流指令との両方を制御)を上述した模擬試験装置で実験した実験結果を示すグラフであり、図15が二次電池104の温度が20度の場合、図16が二次電池104の温度が30度の場合を示している。本実験では、二次電池104の目標電流値110を0Aとする場合について実験した。

0029

その結果、図15に示す二次電池104の温度が20度の場合、電圧指令は右軸に示す2750付近で変動し、電流指令は右軸に示す600〜1000で変動し、CV/CC電源103の出力電流は左軸に示す3A〜30Aで変動し、一点鎖線で示すCV/CC電源103の出力電圧は左軸に示す27V付近で変動して出力された。また、図16に示す二次電池104の温度が30度の場合、電圧指令は右軸に示す2750付近で変動し、電流指令は右軸に示す250〜750で変動し、CV/CC電源103の出力電流は左軸に示す3A〜30Aで変動し、一点鎖線で示すCV/CC電源103の出力電圧は左軸に示す27V付近で変動して出力された。

0030

そして、点線で示すバッテリ電流(電流センサ108で検出される二次電池104の充放電電流)は、いずれも、左軸に示す0Aに対してハンチング現象が発生することが確認された。即ち、第3の制御方法でも第1の制御方法と同様に、二次電池104の充放電電流のハンチング現象が発生し、二次電池104の充放電電流を安定して制御できないという問題点があった。

0031

また、第3の制御方法では、電圧指令と、電流指令という異なる2つの指令を、二次電池104の充放電電流という同じ1つのパラメータを用いて制御している。そのため、電圧指令用のPI定数と、電流指令用のPI定数との双方を設定するのが困難であり、二次電池104の充放電電流を安定して制御できないという問題点があった。

0032

次に、特許文献1に記載されている技術では、電圧調節器と電流調節器とを用意する必要があり、システムが複雑化するという問題点があった。

0033

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、特に、二次電池の充放電を簡単、且つ、安定して制御できる二次電池制御装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0034

この目的を達成するために、請求項1記載の二次電池制御装置は、入力される電圧指令と電流指令とに基づいて定電圧電源と定電流電源との少なくとも一方として機能する定電圧定電流電源と、その定電圧定電流電源と接続される負荷装置と、その負荷装置と前記定電圧定電流電源との間から分岐して接続される二次電池とを備え、前記二次電池の充放電電流を目標電流に制御するものであって、前記二次電池の充放電電流を検出する検出手段と、前記目標電流と前記検出手段により検出された充放電電流との偏差をPI制御した値を、前記電圧指令として生成して前記定電圧定電流電源に出力する電圧指令手段と、前記負荷装置で消費された負荷電流を算出する算出手段と、前記目標電流と前記算出手段により算出された負荷電流との加算値を、前記電流指令として生成して前記定電圧定電流電源に出力する電流指令手段とを備えている。

0035

尚、PI制御とは、フィードバック制御一種であり、目標電流と検出手段により検出された充放電電流との偏差を求め、その偏差に比例して電圧指令(定電圧定電流電源に出力する値)を変化させて動作する比例動作と、かかる偏差が継続している時間に比例して電圧指令を変化(つまり、偏差の積分に比例して電圧指令を変化)させて動作する積分動作とを組み合わせた制御であり、周知の制御技術である。

0036

請求項2記載の二次電池制御装置は、請求項1記載の二次電池制御装置において、前記負荷装置は、前記定電圧定電流電源と接続されるインバータと、そのインバータと接続されるモータとを備え前記算出手段は、前記インバータのトルクと前記モータの回転数との乗算値を、前記インバータへの入力電圧と前記インバータのインバータ効率との乗算値で除算して、前記負荷電流を算出する。

0037

請求項3記載の二次電池制御装置は、請求項2に記載の二次電池制御装置において、前記モータが始動してから所定の回転数に到達するまでのモータ始動期間かを判断する判断手段と、前記判断手段によってモータ始動期間であると判断された場合に、前記電流指令手段から前記電流指令を出力するのを禁止する禁止手段とを備えている。

0038

請求項4記載の二次電池制御装置は、請求項3記載の二次電池電制御装置において、前記電流指令として、前記定電圧定電流電源から出力可能最大電流を前記定電圧定電流電源に出力する最大電流指令手段を備え、前記禁止手段は、前記判断手段によってモータ始動期間であると判断された場合に、前記電流指令手段から前記電流指令を出力するのを禁止して、前記最大電流指令手段から電流指令を出力させ、前記判断手段によってモータ始動期間でないと判断された場合に、前記最大電流指令手段から電流指令を出力するのを禁止して、前記電流指令手段から電流指令を出力させる。

0039

請求項5記載の二次電池制御装置は、請求項1から4のいずれかに記載の二次電池制御装置において、エンジンと、そのエンジンの動力により駆動して前記定電圧定電流電源に供給する電力を発電する発電機とを備えている。

発明の効果

0040

請求項1記載の二次電池制御装置によれば、電圧指令手段によって、二次電池を充放電する目標電流と、二次電池の充放電電流との偏差をPI制御した値が電圧指令として生成され定電圧定電流電源に出力される。また、電流指令手段によって、二次電池を充放電する目標電流と、負荷装置で消費された負荷電流との加算値が電流指令として生成され定電圧定電流電源に出力される。即ち、電流指令は、電圧指令とは異なるパラメータによって生成される。よって、電圧指令と、電流指令とを、同じパラメータ(二次電池の充放電電流)を使ってPI制御して生成するよりも、PI定数の設定を簡単にでき、安定して二次電池の充放電を制御できる。また、電圧指令と、電流指令との何れか一方を固定してしまう場合よりも、電圧指令と、電流指令との両方を生成している上、特に、電流指令を二次電池を充放電する目標電流と負荷装置で消費された負荷電流との加算値としているので、温度変化による二次電池の内部抵抗の変化があっても、ハンチング現象の発生や、電流リップル(脈動)の発生を抑制でき、安定して二次電池の充放電を制御できるという効果がある。

0041

請求項2記載の二次電池制御装置によれば、請求項1記載の二次電池制御装置が奏する効果に加え、負荷装置は、インバータと、モータとを備え、その負荷装置で消費された負荷電流は、インバータのトルクとモータの回転数とを乗算した値を、インバータへの入力電圧とインバータのインバータ効率との乗算値で除算して算出される。そのため、負荷装置で消費された負荷電流を簡単に算出でき、ひいては、二次電池の充放電制御を簡単にできるという効果がある。

0042

請求項3記載の二次電池制御装置によれば、請求項2に記載の二次電池制御装置が奏する効果に加え、モータ始動期間に、二次電池から大電流が放電されるのを防止できるという効果がある。即ち、モータ始動期間は、インバータで消費される負荷電流が大きく、モータ始動期間に、電流指令手段によって電流指令を出力してしまうと、電流指令は、二次電池を充放電する目標電流と、モータを含む負荷装置で消費された負荷電流との加算値から生成されるので、二次電池から大電流が放電されてしまう。しかし、モータ始動期間である場合には、電流指令手段によって電流指令を出力するのが禁止手段により禁止される。よって、モータ始動期間に、二次電池から大電流が放電されるのを防止できるという効果がある。

0043

請求項4記載の二次電池制御装置によれば、請求項3記載の二次電池制御装置が奏する効果に加え、モータ始動期間である場合には、電流指令手段によって電流指令を出力するのが禁止され、定電圧定電流電源から出力可能な最大電流が電流指令として出力される。よって、モータ始動期間において、定電圧定電流電源から出力可能な最大電流を供給できる。一方、モータ始動期間でない場合には、かかる最大電流を電流指令として出力するのが禁止され、電流指令手段によって電流指令を出力される。よって、モータ始動期間でない場合には、二次電池の負荷変動に対し、安定して二次電池の充放電を制御できるという効果がある。

0044

請求項5記載の二次電池制御装置によれば、請求項1から4のいずれかに記載の二次電池制御装置が奏する効果に加え、エンジンと、そのエンジンの動力により駆動して前記定電圧定電流電源に供給する電力を発電する発電機とを備えているので、シリーズハイブリット駆動システムとして、鉄道車両、産業車両、クレーン、トラック、バス等の車両に適用できるという効果がある。

図面の簡単な説明

0045

シリーズハイブリッド駆動システムの構成図である。
第1実施形態の制御方法を実行するコントローラの機能的ブロック図である。
第1実施形態の制御方法の実験結果を示すグラフである。
第1実施形態の制御方法の実験結果を示すグラフである。
第2実施形態の制御方法を実行するコントローラの機能的ブロック図である。
従来のシリーズハイブリッド駆動システムの構成図である。
CV/CC電源の動作を説明する図である。
従来の第1の制御方法を実行するコントローラの機能的ブロック図である。
従来の第2の制御方法を実行するコントローラの機能的ブロック図である。
従来の第3の制御方法を実行するコントローラの機能的ブロック図である。
従来の第1の制御方法の実験結果を示すグラフである。
従来の第1の制御方法の実験結果を示すグラフである。
従来の第2の制御方法の実験結果を示すグラフである。
従来の第2の制御方法の実験結果を示すグラフである。
従来の第3の制御方法の実験結果を示すグラフである。
従来の第3の制御方法の実験結果を示すグラフである。

実施例

0046

以下、本発明の好ましい実施形態について、添付図面を参照して説明する。図1は、シリーズハイブリッド駆動システム1の構成図である。シリーズハイブリッド駆動システム1は、エンジン2の動力を使って発電機3で発電させ、その発電させた電力を使って走行モータ7を駆動させるものであって、特に、二次電池の充放電を簡単、且つ、安定して制御できるものである。

0047

シリーズハイブリッド駆動システム1は、主に、エンジン2と、発電機3と、CV/CC電源4と、二次電池5と、走行インバータ6と、走行モータ7と、コントローラ8とによって構成されている。

0048

エンジン2は、発電機3と接続され、燃料燃焼させた動力を発電機3に出力する。発電機3は、エンジン2とCV/CC電源4とに接続され、エンジン2から入力される動力を使って交流電力を発電し、その交流電力をCV/CC電源4に供給する。

0049

CV/CC電源4は、二次電池5と走行インバータ6とに接続され、発電機3から出力される交流電力から直流電力を生成し、その直流電力を、二次電池5と、走行インバータ6とに供給する。尚、CV/CC電源4は、上述した通り、定電圧電源と、定電流電源との2つの機能を有し、コントローラ8から出力される電流指令、電圧指令によって、出力電流と、出力電圧とが制御される。

0050

また、CV/CC電源4と、走行インバータ6とを接続する電源ラインの途中には、電圧センサ10と、ダイオード11とが接続され、電圧センサ10によってCV/CC電源4の出力電圧が検出され、ダイオード11によって走行インバータ6側からCV/CC電源4へ電流が流れるのが防止されている。

0051

二次電池5は、例えば、リチウムイオン二次電池によって構成され、電圧センサ10と走行インバータ6との途中から分岐した電源ラインに電流センサ9を介して接続されている。即ち、二次電池5の充放電電流は、CV/CC電源4の出力電圧を制御することで制御されている。例えば、CV/CC電源4の出力電圧を、二次電池5の電圧よりも下げれば二次電池5から電流が走行インバータ6に放電され、CV/CC電源4の出力電圧を二次電池5の電圧よりも上げれば、CV/CC電源4から二次電池5に電流が充電される。尚、二次電池5の充放電電流は、電流センサ9によって検出可能に構成されている。

0052

走行インバータ6は、走行モータ7と接続され、CV/CC電源4、二次電池5から供給される直流電力を交流電力に変換して走行モータ7をトルク制御する。また、走行インバータ6は、走行モータ7のトルクを検出し、その検出したトルクを信号ライン(図中点線矢印参照)を介してコントローラ8に出力する。

0053

走行モータ7は、例えば、図示しない走行装置と接続され、走行インバータ6から供給される交流電力によって駆動する交流モータであり、走行装置を回転駆動させる。また、走行モータ7には、回転センサ7aが接続されており、回転センサ7aによって走行モータ7の回転数が検出される。また、回転センサ7aは、信号ライン(図中点線矢印参照)を介してコントローラ8(入出力ポート15)と接続され、回転センサ7aで検出された回転数は、信号ライン(図中点線矢印参照)を介してコントローラ8に出力される。

0054

コントローラ8は、主に、二次電池5の充放電を制御するものであり、CV/CC電源4に出力する電圧指令と、電流指令とを生成し、その生成した電圧指令と、電流指令とを信号ライン(図中点線矢印参照)を介してCV/CC電源4に出力する。

0055

コントローラ8は、主に、CPU12と、ROM13と、RAM14と、入出力ポート15とによって構成されている。CPU12、ROM13、RAM14は、バスライン16を介して互いに接続されている。また、バスライン16と、CV/CC電源4、電圧センサ10、電流センサ9、走行インバータ6、回転センサ7aとは、入出力ポート15を介して互いに接続されている。

0056

CPU12は、ROM13に記憶されている固定値プログラムに従って、入出力ポート15と接続された各部を制御する演算装置である。ROM13は、シリーズハイブリッド駆動システム1で実行される制御プログラム等を格納した書換不能な不揮発性メモリである。例えば、ROM13には、加速、定速状態ではCV/CC電源4と二次電池5と
の双方から電力供給し、減速、停止、アイドリング状態ではCV/CC電源4だけから電力供給し、二次電池5は充電するように電力の供給を制御するための電力供給制御プラグラムが記憶されており、コントローラ8(CPU12)は、その電力供給制御プログラムに従って、二次電池5の充放電電流を制御する。RAM14は、各種情報を一時的に記憶する書換可能な揮発性のメモリである。

0057

入出力ポート15は、コントローラ8と、各種装置とを繋ぐインターフェースである。具体的には、電圧指令と、電流指令とが、入出力ポート15を介してコントローラ8からCV/CC電源4に出力される。電流センサ9で検出される電流値(二次電池5の充放電電流値)と、電圧センサ10で検出されるCV/CC電源4の出力電圧値と、走行インバータ6のトルクと、回転センサ7aで検出される走行モータ7の回転数とが、入出力ポート15を介してコントローラ8に入力される。

0058

次に、図2を参照して、二次電池5の充放電を制御する第1実施形態の制御方法について説明する。図2は、コントローラ8の内部構成を示す機能的ブロック図である。尚、図2では、入出力ポート15の図示は省略してあるが、上述した通り、電圧指令、電流指令、電流センサ9で検出される電流値(二次電池5の充放電電流値)、電圧センサ10で検出されるCV/CC電源4の出力電圧値、走行インバータ6のトルク、走行モータ7の回転数は、入出力ポート15を介してコントローラ8に入出力される。

0059

まず、コントローラ8(CPU12)が電圧指令を生成し、その電圧指令をCV/CC電源4に出力する場合について説明する。コントローラ8は、ROM13(図1参照)に記憶されている電力供給制御プログラムに従って二次電池5の目標電流値20を減算器21に出力する。また、電流センサ9で検出される電流値(二次電池5の充放電電流値)をローパスフィルタ22を介して減算器21に出力する。そして、減算器21で二次電池5の目標電流値20から電流センサ9で検出される電流値(二次電池5の充放電電流値)を減算し、その偏差をPI制御器23(電圧指令用のPI定数が設定)を介して、リミッタ24に出力する。そして、リミッタ24からの出力を電圧指令として、CV/CC電源4に出力する。

0060

即ち、電圧指令は、二次電池5の目標電流値20と、電流センサ9で検出される電流値(二次電池5の充放電電流値)との偏差をPI制御した値として生成され、CV/CC電源4に出力される。

0061

次に、コントローラ8が電流指令を生成し、電流指令をCV/CC電源4に出力する場合について説明する。コントローラ8は、電圧センサ10で検出されるCV/CC電源4の出力電圧値をローパスフィルタ26を介して負荷電流演算回路25に出力する。また、走行インバータ6のトルクと、回転センサ7aで検出された走行モータ7の回転数とを負荷電流演算回路25に出力する。

0062

ここで、負荷電流演算回路25は、走行インバータ6で消費された負荷電流を演算する回路である。かかる負荷電流は、次の(1)式によって演算できる。尚、(1)式中、Tmは走行インバータ6のトルク(Nm)、Rmは走行モータ7の回転数(rpm)、ηは走行インバータ6のインバータ効率、Vbは電圧センサ10で検出されるCV/CC電源4の出力電圧(V)を示す。尚、インバータ効率は、既定値である。

0063

(1)負荷電流=(Tm×Rm×2π/60)/(η×Vb)
コントローラ8は、負荷電流演算回路25で演算した負荷電流を加算器27に出力すると共に、ROM13(図1参照)に記憶されている電力供給制御プログラムに従って二次電池5の目標電流値20を加算器27に出力し、加算器27で負荷電流と二次電池5の目標電流値20とを加算する。そして、その加算値をリミッタ28に出力し、リミッタ28からの出力を電流指令として、CV/CC電源4に出力する。

0064

即ち、電流指令は、次の(2)式で生成され、CV/CC電源4に出力される。

0065

(2)電流指令=負荷電流+二次電池の目標電流値
こうして、コントローラ8によって、電圧指令と電流指令とが生成され、電圧指令と電流指令とがCV/CC電源4に出力されるとCV/CC電源4から、電圧指令と電流指令とに従った出力電圧と出力電流とが出力され、二次電池5の充放電が制御される。

0066

図3と、図4とは、図2に示す第1実施形態の制御方法を模擬試験装置で実験した実験結果を示すグラフであり、図3が二次電池5の温度が20度の場合、図4が二次電池5の温度が29度の場合を示している。尚、模擬試験装置は、図1に示すシリーズハイブリッド駆動システム1において、エンジン1と発電機2とを商用電源に代替し、走行インバータ6と、走行モータ7とを電子負荷装置に代替した装置である。また、本実験では、二次電池5の目標電流値20を0Aとした。

0067

その結果、図3に示す二次電池5の温度が20度の場合でも、図4に示す二次電池5の温度が29度の場合でも、電流指令は右軸に示す0〜550で変動し、電圧指令は右軸に示す2870付近で変動し、CV/CC電源4の出力電流は左軸に示す2A〜30Aで変動し、一点鎖線で示すCV/CC電源4の出力電圧は左軸に示す27V付近で変動するように出力された。

0068

そして、点線で示すバッテリ電流(電流センサ9で検出される二次電池5の充放電電流)については、左軸に示す0Aに対して、ほぼ安定して出力され、ハンチング現象も、電流リップル(脈動)の発生も確認できなかった。

0069

このように、第1実施形態の制御方法では、電圧指令を二次電池5の目標電流値20と二次電池5の充放電電流との偏差をPI制御した値とし、電流指令を負荷電流と二次電池5の目標電流値20との加算値としている。即ち、電圧指令と、電流指令とを、異なるパラメータを使って生成している。

0070

そのため、電圧指令と、電流指令とを、同じパラメータ(二次電池5の充放電電流)を使ってPI制御して生成するよりも、PI定数の設定を簡単にでき、安定して二次電池5の充放電を制御できる。また、電圧指令と、電流指令との何れか一方を固定してしまう場合よりも、電圧指令と、電流指令との両方を生成している上、特に、電流指令を負荷電流と二次電池5の目標電流値20との加算値としているので、温度変化による二次電池5の内部抵抗の変化があったとしても、ハンチング現象の発生、電流リップル(脈動)の発生を抑制でき、安定して二次電池5の充放電を制御できる。

0071

次に、図5を参照して、二次電池5の充放電を制御する第2実施形態の制御方法について説明する。図5は、第2実施形態の制御方法を実行するコントローラ30の内部構成を示す機能的ブロック図である。尚、図2に示す第1実施形態のコントローラ8と同一の構成については共通する符号を付し、その説明を省略する。

0072

第2実施形態の制御方法を実行するコントローラ30は、第1実施形態の制御方法を実行するコントローラ8に対し、発進判定回路31と、第1スイッチ32と、第2スイッチ33とを追加したものである。

0073

発進判定回路31は、走行モータ7の回転数が、0から所定の回転数(例えば1000rpm)までの範囲内か、範囲外かを判定するものである。そして、その範囲内であればモータ始動期間として、第1スイッチ32をオフ、第2スイッチ33をオンに設定し、範囲外であればモータ始動期間ではないとして第1スイッチ32をオン、第2スイッチ33をオフに設定するものである。尚、走行モータ7の回転数は、回転センサ7aから出力される走行モータ7の回転数に基づいて判定する。

0074

第1スイッチ32は、加算器27と、リミッタ28との間に設けられ、加算器27において加算される負荷電流と二次電池5の目標電流値20との加算値を電流指令として、CV/CC電源4に出力する場合と(オン)、出力しない場合(オフ)とを切り換えるスイッチである。

0075

第2スイッチ33は、第1スイッチ32と、リミッタ28との間から枝分かれした信号ラインに設けられ、CV/CC電源4の最大電流値34を電流指令として、CV/CC電源4に出力する場合と(オン)、出力しない場合(オフ)とを切り換えるスイッチである。CV/CC電源4の最大電流値34は、予め設定されている既定値である。

0076

このように、発進判定回路31によって、走行モータ7の回転数が0から所定の回転数(例えば1000rpm)までの範囲内であると判定された場合には、第1スイッチ32がオフ、第2スイッチ33をオンに設定され、CV/CC電源4の最大電流値34が電流指令としてCV/CC電源4に出力される。

0077

一方、発進判定回路31によって、走行モータ7の回転数が0から所定の回転数(例えば1000rpm)までの範囲外であると判定された場合には、第1スイッチ32がオン、第2スイッチ33がオフに設定され、負荷電流と二次電池5の目標電流値20との加算値が電流指令としてCV/CC電源4に出力される。

0078

走行モータ7の回転数が0から所定の回転数(例えば1000rpm)までのモータ始動期間では、走行モータ7で消費される負荷電流が大きく、かかるモータ始動期間に、負荷電流と二次電池5の目標電流値20との加算値を電流指令として出力してしまうと、二次電池5から大電流が放電されてしまう。

0079

しかし、モータ始動期間である場合には、第1スイッチ32がオフ、第2スイッチ33がオンに設定されるので、負荷電流と二次電池5の目標電流値20との加算値が電流指令としてCV/CC電源4に出力されず、CV/CC電源4の最大電流値34が電流指令としてCV/CC電源4に出力される。よって、モータ始動期間に、二次電池5から大電流が放電されるのを防止できると共に、CV/CC電源4から出力可能な最大電流を供給できる。

0080

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変更が可能であることは容易に推察できるものである。

0081

上記実施形態では、本発明の二次電池制御装置を、シリーズハイブリッド駆動システム1に適用する場合について説明したが、本発明の二次電池制御装置を適用する装置としては、シリーズハイブリッド駆動システム1において、エンジン2と発電機3とに代替可能な電源とし、走行インバータ6と、走行モータ7とに代替可能な負荷装置とした装置にも適用できる。

0082

また、上記実施形態では、電流指令を負荷電流と二次電池5の目標電流値20との加算値としたが、負荷電流と二次電池5の目標電流値20とに更に、電流センサ9、電圧センサ10等の機器で消費される電流を加算したものを、電流指令としても良い。かかる場合には、より安定して二次電池5の充放電を制御できる。

0083

また、上記実施形態では、負荷電流演算回路25は負荷電流=(Tm×Rm×2π/60)/(η×Vb)とし、Vbを、電圧センサ10で検出されるCV/CC電源4の出力電圧(V)とする場合について説明したが、これに代えて、走行インバータ6への入力電圧を検出可能な電圧センサを設け、その電圧センサで検出される電圧をVbとして適用しても良い。

0084

1シリーズハイブリッド駆動システム(二次電池制御装置)
2エンジン
3発電機
4CV/CC電源(定電圧定電流電源)
5二次電池
6走行インバータ(負荷装置、インバータ)
7走行モータ(負荷装置、モータ)
8コントローラ(電圧指令手段、電流指令手段、最大電流指令手段)
9電流センサ(検出手段)
12 CPU(電圧指令手段、電流指令手段、最大電流指令手段)
23PI制御器(電圧指令手段)
21減算器(電流指令手段)
25負荷電流演算回路(算出手段)
27加算器(電圧指令手段)
31発進判定回路(判断手段)
32 第1スイッチ(禁止手段)
33 第2スイッチ(禁止手段)

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