JP2011130534A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池と電気二重層キャパシタとを備える車両用電源装置の電気二重層キャパシタを小型化する。
【解決手段】車両に搭載された負荷１に電力を供給する二次電池１０と、二次電池１０に並列に接続される電気二重層キャパシタ２０と、二次電池１０と電気二重層キャパシタ２０との間に介設され、二次電池１０と電気二重層キャパシタ２０との間で双方向に充放電可能に切り換えるパワーコンバータ３０と、負荷１の負荷電流と電気二重層キャパシタ２０のキャパシタ電流とに基づき、電気二重層キャパシタ２０の充放電のスイッチング指令をパワーコンバータ３０に出力する制御部４０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に電源を供給する車両用電源装置に関するものである。

近年、電気自動車やハイブリッド自動車などの車両用電源装置として、鉛蓄電池やニッケル水素電池などの二次電池に加え、電気二重層キャパシタが併用されている。二次電池は、エネルギ容量は大きいがエネルギ密度は低いという特性を有するのに対し、電気二重層キャパシタは、エネルギ容量は小さいがエネルギ密度は高いという相対する特性を有している。

特許文献１には、電気二重層キャパシタと二次電池とを備え、電気二重層キャパシタと二次電池との間で相互に充放電が可能なハイブリッド車両の蓄電装置が開示されている。この蓄電装置では、電気二重層キャパシタから負荷に電気を供給し、二次電池は電気二重層キャパシタを充電するのに用いられている。

特開２００５−１６０１５４号公報

しかしながら、特許文献１のような蓄電装置では、電気二重層キャパシタから負荷に電力が直接供給されるため、エネルギ容量の小さな電気二重層キャパシタのセルを直列に多数接続し、負荷を駆動可能な電圧を得ている。そのため、高い電圧を維持するために、電気二重層キャパシタが大型化するおそれがあった。

そこで、本発明では、二次電池と電気二重層キャパシタとを備える車両用電源装置の電気二重層キャパシタを小型化することを目的とする。

本発明は、車両に搭載された負荷に電力を供給する二次電池と、前記二次電池に並列に接続される電気二重層キャパシタと、前記二次電池と前記電気二重層キャパシタとの間に介設され、前記二次電池と前記電気二重層キャパシタとの間で双方向に充放電可能に切り換えるパワーコンバータと、前記負荷の負荷電流と前記電気二重層キャパシタのキャパシタ電流とに基づき、前記電気二重層キャパシタの充放電のスイッチング指令を前記パワーコンバータに出力する制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、負荷に電流を供給する二次電池と並列に電気二重層キャパシタがパワーコンバータを介して接続される。電気二重層キャパシタの端子電圧は、パワーコンバータで昇圧されて負荷に供給されるため、直列に複数接続して電圧を高める必要は無く、電気二重層キャパシタを小型化することが可能である。

なお、二次電池は、エネルギ容量が大きいため、所望の電圧を得るために直列に複数接続されず、単独で数百ボルトの高い電圧を得ることが可能である。よって、負荷を駆動可能な電圧を得るために二次電池が直列に接続されて大型化することは抑制される。

本発明の実施の形態に係る車両用電源装置の構成図である。 車両用電源装置における制御部の構成図である。 車両用電源装置の充放電電流の変化を示す図である。

以下では、図面を参照しながら本発明の実施の形態に係る車両用電源装置１００について説明する。

まず、図１を参照しながら、車両用電源装置１００の構成について説明する。

車両用電源装置１００は、電気自動車やハイブリッド自動車などの車両（図示省略）に電源を供給する装置である。車両用電源装置１００は、車両の駆動用モータ（図示省略）を駆動するために、高電圧かつ大電流を供給する必要がある。

車両用電源装置１００は、負荷１に電力を供給する二次電池１０と、二次電池１０に並列に接続される電気二重層キャパシタ２０と、二次電池１０と電気二重層キャパシタ２０との間に介設されるパワーコンバータ３０と、パワーコンバータ３０の制御を行う制御部４０とを備える。

本明細書では、負荷１が発生する電流及び負荷１に流れる電流を負荷電流といい、二次電池１０が発生する電流及び二次電池１０に流れる電流をバッテリ電流といい、電気二重層キャパシタ２０が発生する電流及び電気二重層キャパシタ２０に流れる電流をキャパシタ電流という。

負荷１は、駆動用モータのような車両に搭載された電装装置である。負荷１が駆動用モータである場合、駆動電圧は例えば２００Ｖ程度であり、車両に搭載される他の補器類と比べて駆動電圧が高い。駆動用モータは、車両の加速時等には電力の供給を受けて車両の駆動力を発生し、減速時等には走行エネルギを回生してジェネレータとして発電をする。負荷１には、負荷電流の大きさを検知する負荷電流センサ２が直列に接続される。

二次電池１０は、充電可能な化学電池である。二次電池１０の電圧は、負荷１を駆動するのに必要な電圧に調整されており、負荷１が駆動用モータである場合には、例えば２００Ｖ程度に調整されている。二次電池１０は、電気二重層キャパシタ２０と比べて、エネルギ容量は大きいが、エネルギ密度が低いという特性を有する。よって、二次電池１０は、一定の電流を長時間供給し続ける性能が電気二重層キャパシタ２０より優れている。

二次電池１０の端子電圧は、エネルギ容量が空になるまで殆ど変化せずに略一定の電圧を維持する。二次電池１０は、化学反応を利用して電気を蓄える化学電池であり、充放電を高い頻度で行うと劣化しやすい。

電気二重層キャパシタ２０は、陽極と陰極との二つの電極の間の電解質のイオンが電気二重層を構成して電気を蓄えるキャパシタセルが複数接続されて積層されたもので、直列に複数接続されて所望の電圧に調整され、並列に複数接続されて所望のエネルギ容量に調整される。

電気二重層キャパシタ２０は、二次電池１０と比べて、エネルギ容量は小さいがエネルギ密度が高いという特性を有する。よって、電気二重層キャパシタ２０は、急激に大量の電流を充放電する性能が二次電池１０より優れている。

電気二重層キャパシタ２０の端子電圧は、貯蔵エネルギの平方根に比例して変動する。電気二重層キャパシタ２０は、電気を電子のまま蓄えるものであり、充放電を繰り返しても殆ど劣化しない。電気二重層キャパシタ２０の寿命は保持電圧に依存することが知られており、保持電圧が高いほど寿命が短くなる。電気二重層キャパシタ２０の各々のキャパシタセルの耐電圧は約３Ｖ程度である。よって、電気二重層キャパシタ２０が２００Ｖの電圧を得るためには、数十個のキャパシタセルを直列に接続する必要がある。

電気二重層キャパシタ２０は、端子電圧が第１の電圧より高くなると充電を停止し、かつ、端子電圧が第２の電圧より低くなると放電を停止する保護回路（図示省略）を備える。

第１の電圧は、電気二重層キャパシタ２０がフル充電であるときの高い電圧である。保護回路が設けられることによって、電気二重層キャパシタ２０は、フル充電状態から更に充電を行って過充電状態となることが防止され、過充電によって寿命が短くなることが防止される。

第２の電圧は、電気二重層キャパシタ２０が負荷１に電力を供給できないような低い電圧である。つまり、第２の電圧は、第１の電圧より低く設定される。保護回路が設けられることによって、電気二重層キャパシタ２０のエネルギ容量が空の場合には、二次電池１０から負荷１に全ての電力が供給される。

電気二重層キャパシタ２０には、キャパシタ電流を検出するためのキャパシタ電流センサ２１が直列に設けられる。

パワーコンバータ３０は、二次電池１０と電気二重層キャパシタ２０との間で双方向に充放電可能に切り換える双方向ＤＣ／ＤＣコンバータである。

電気二重層キャパシタ２０から負荷１に電力を供給する場合、及び電気二重層キャパシタ２０が二次電池１０を充電する場合には、パワーコンバータ３０は、電気二重層キャパシタ２０から供給される電力を二次電池１０と同等の電圧に昇圧する。これにより、貯蔵エネルギの量によって電気二重層キャパシタ２０の端子電圧が変動した場合でも、電気二重層キャパシタ２０の端子電圧に関わらず、電気二重層キャパシタ２０の電力を一定の電圧に昇圧して負荷１に供給することが可能である。

一方、負荷１又は二次電池１０が電気二重層キャパシタ２０を充電する場合には、パワーコンバータ３０は、負荷１又は二次電池１０から供給される電力を電気二重層キャパシタ２０の耐電圧より低い電圧に降圧する。これにより、電気二重層キャパシタ２０に耐電圧を超えるまで充電されることが防止される。

一般に、電気二重層キャパシタ２０は、直列に多数接続されて高電圧（例えば２００Ｖ）の端子電圧に調整される。電気二重層キャパシタ２０に蓄えられる電気エネルギは、大半が高電圧を維持するために必要な電気エネルギであるため、負荷１を駆動するのに利用できる電気エネルギはほんの一部に過ぎない。

これに対して、車両用電源装置１００では、パワーコンバータ３０を介して電気二重層キャパシタ２０を二次電池１０に並列に接続しているため、電気二重層キャパシタ２０の出力電圧はパワーコンバータ３０で昇圧される。よって、電気二重層キャパシタ２０のセルを直列に複数接続して高電圧に調整しておく必要は無いため、電気二重層キャパシタ２０の小型化が可能である。

なお、二次電池１０は、所望の電圧を得るために直列に複数接続されるものではなく、単独で数百ボルトの電圧を得ることが可能であるため、電気二重層キャパシタ２０が小型化されたのに伴って二次電池１０が大型化することは抑制される。

また、電気二重層キャパシタ２０から供給される電力は、パワーコンバータ３０で昇圧されるため、端子電圧が下がってもそのまま使用可能でき、電気二重層キャパシタ２０のエネルギ容量が空になるまで使用できる。よって、漏れ電流による損失を低減でき、電気二重層キャパシタ２０の寿命を延ばすことができる。

車両用電源装置１００は、二次電池１０にパワーコンバータ３０を介して電気二重層キャパシタ２０を接続したものであるため、従来から用いられているような、二次電池１０が単独で負荷１に電力を供給するシステムに、パワーコンバータ３０と電気二重層キャパシタ２０とを外装することによっても得ることができる。

次に、図２を参照しながら、制御部４０の構成について説明する。

制御部４０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、及びＩ／Ｏインターフェース（入出力インターフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。ＲＡＭはＣＰＵの処理におけるデータを記憶し、ＲＯＭはＣＰＵの制御プログラム等を予め記憶し、Ｉ／Ｏインターフェースは接続された機器との情報の入出力に使用される。ＣＰＵやＲＡＭなどをＲＯＭに格納されたプログラムに従って動作させることによって車両用電源装置１００の制御が実現される。

制御部４０は、負荷電流とキャパシタ電流とに基づき、電気二重層キャパシタ２０の充放電の切り換え指令をパワーコンバータ３０に出力する。制御部４０は、負荷電流の一次遅れ要素でありバッテリ電流の指令値であるバッテリ電流指令値を導出するローパスフィルタ４１と、負荷電流とバッテリ電流指令値とを比較した差分でありキャパシタ電流の指令値であるキャパシタ電流指令値を算出する比較部４２と、パワーコンバータ３０にスイッチング指令を出力する電流制御部４３とを備える。

ローパスフィルタ４１は、負荷電流センサ２で検出した負荷電流をもとに、設定された周波数以上の高周波の周波数をカットし、方形波状のステップ入力に対して一次遅れ要素の出力を得るものである。よって、負荷電流が方形波状に変化した場合、方形波状の入力がローパスフィルタ４１によって鈍らされて一次遅れ要素となり、バッテリ電流指令値として出力される。

ローパスフィルタ４１は、制御部４０内のソフトウェア処理により制御されるが、制御部４０の外部にローパスフィルタを設けて同様の制御を行うことも可能である。

比較部４２には、負荷電流センサ２で検出した実際の負荷電流値と、ローパスフィルタ４１から出力されたバッテリ電流指令値とが入力される。比較部４２は、負荷電流からバッテリ電流指令値を減じて、これらの差であるキャパシタ電流指令値を算出する。

電流制御部４３には、キャパシタ電流センサ２１で検出した実際のキャパシタ電流と、比較部４２から出力されたキャパシタ電流指令値とが入力される。電流制御部４３は、実際のキャパシタ電流と比較部４２で演算されたキャパシタ電流指令値とを比較し、実際のキャパシタ電流がキャパシタ電流指令値になるようにパワーコンバータ３０にスイッチング指令を出力する。スイッチング指令によって、パワーコンバータ３０は、電気二重層キャパシタ２０から負荷１に電力を供給するように、負荷１が電気二重層キャパシタ２０を充電するように、又は二次電池１０と電気二重層キャパシタ２０との間で双方向に電力の授受を行うように切り換える。

ここで、バッテリ電流指令値は、キャパシタ電流指令値を算出するための値であるため、二次電池１０のバッテリ電流は、バッテリ電流指令値に基づいて制御されない。しかしながら、バッテリ電流とキャパシタ電流との和が負荷電流であるため、負荷電流とキャパシタ電流とによってバッテリ電流は決定される。即ち、負荷電流に基づいてキャパシタ電流が制御されれば、同時にバッテリ電流も制御されることとなる。よって、電気二重層キャパシタ２０の実際のキャパシタ電流がキャパシタ電流指令値になるようにパワーコンバータ３０が制御されたとき、二次電池１０の電流はバッテリ電流指令値になる。

以下では、図３を参照しながら、車両用電源装置１００の作用について説明する。

図３では、横軸が時間、縦軸が充放電電流の大きさであり、負荷電流の変化を細実線で示し、バッテリ電流の変化を太実線で示し、キャパシタ電流の変化を破線で示している。図３では、キャパシタ電流及びバッテリ電流を模式的に直線で示しているが、実際には、負荷電流の一次遅れ要素になるため直線的には変化しない。

図３の時間Ａでは、負荷１から負荷電流として、方形波状の充電電流が入力される。これは、電気自動車やハイブリッド自動車などで、回生ブレーキが働いて駆動用モータがジェネレータになり発電を行うような場合である。

二次電池１０に充電されるバッテリ電流の電流値は、負荷電流の一次遅れ要素であるため、充電開始時には零であるが、時間の経過とともに大きくなり、やがて負荷電流と等しくなる。一方、電気二重層キャパシタ２０に充電されるキャパシタ電流の電流値は、制御部４０によって負荷電流からバッテリ電流を減じた差分に調整されるため、充電開始と同時に最大値まで上昇し、バッテリ電流が大きくなるにつれて相対的に小さくなり、やがて零になる。つまり、エネルギ密度が高く大電流の充放電が可能な電気二重層キャパシタ２０を急激に充電し、エネルギ容量の大きな二次電池１０をゆっくりと充電している。

ここで、電気二重層キャパシタ２０は、内部抵抗が小さい特性を有する。よって、充電開始と同時に電気二重層キャパシタ２０に大電力が急激に充電されることで、エネルギ回収率を向上することができる。

図３の時間Ｂでは、方形波状の負荷電流が零になり、負荷１は、電気二重層キャパシタ２０及び二次電池１０を充電しなくなる。

バッテリ電流の電流値は、負荷電流の一次遅れ要素であるため、負荷電流が零になると同時に零になることはなく、徐々に小さくなってやがて零になる。このとき、負荷１は充電電流を発生していないため、負荷電流が零になった後には、電気二重層キャパシタ２０がパワーコンバータ３０を介して二次電池１０に電力を供給し、二次電池１０を充電している。

図３の時間Ｃでは、負荷１に方形波状の電流が出力される。これは、電気自動車やハイブリッド自動車などで、駆動用モータが駆動されたような場合である。

二次電池１０から放電されるバッテリ電流の電流値は、負荷電流の一次遅れ要素であるため、放電開始時には零であるが、時間の経過とともに大きくなり、やがて負荷電流と等しくなる。一方、電気二重層キャパシタ２０から放電されるキャパシタ電流の電流値は、制御部４０によって負荷電流からバッテリ電流を減じた差分に調整されるため、放電開始と同時に最大値まで上昇し、バッテリ電流が大きくなるにつれて相対的に小さくなり、やがて零になる。つまり、エネルギ密度が高く大電流の充放電が可能な電気二重層キャパシタ２０から急激に放電し、エネルギ容量の大きな二次電池１０からゆっくりと放電している。

図３の時間Ｄでは、方形波状の負荷電流が零になり、電気二重層キャパシタ２０及び二次電池１０から負荷１に放電されなくなる。

バッテリ電流の電流値は、負荷電流の一次遅れ要素であるため、負荷電流が零になると同時に零になることはなく、徐々に小さくなってやがて零になる。負荷１は電力を消費していないため、負荷電流が零になった後には、二次電池１０がパワーコンバータ３０を介して電気二重層キャパシタ２０に電力を供給し、電気二重層キャパシタ２０を充電している。

以上のように、負荷１が電力を発生する充電時及び負荷１が電気エネルギを消費する放電時の両方で、過渡分の電力を電気二重層キャパシタ２０が負担し、定常分の電力を二次電池１０が負担している。電気二重層キャパシタ２０は大電流の急激な充放電の性能に優れており、二次電池１０は電気容量が大きいという特性を有する。よって、車両用電源装置１００では、電気二重層キャパシタ２０及び二次電池１０のそれぞれの特性を活かしている。

また、二次電池１０の充放電電流は緩やかに変化するため、二次電池１０のエネルギスループットを抑え、二次電池１０の寿命を延ばすことができる。

以上の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。

車両用電源装置１００では、負荷１に電流を供給する二次電池１０と並列に電気二重層キャパシタ２０がパワーコンバータ３０を介して接続される。電気二重層キャパシタ２０の端子電圧は、パワーコンバータ３０で昇圧されて負荷１に供給されるため、直列に複数接続して電圧を高める必要は無く、電気二重層キャパシタ２０を小型化することが可能である。

なお、二次電池１０は、所望の電圧を得るために直列に複数接続されるものではなく、単独で数百ボルトの電圧を得ることが可能であるため、電気二重層キャパシタ２０が小型化されたのに伴って二次電池１０が大型化することは抑制される。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明に係る車両用電源装置は、電気自動車やハイブリッド自動車のような車両の電源装置として利用することができる。

１００ 車両用電源装置
１ 負荷
１０ 二次電池
２０ 電気二重層キャパシタ
３０ パワーコンバータ
４０ 制御部
４１ ローパスフィルタ
４２ 比較部
４３ 電流制御部

Claims (3)

1. 車両に搭載された負荷に電力を供給する二次電池と、
   前記二次電池に並列に接続される電気二重層キャパシタと、
   前記二次電池と前記電気二重層キャパシタとの間に介設され、前記二次電池と前記電気二重層キャパシタとの間で双方向に充放電可能に切り換えるパワーコンバータと、
   前記負荷の負荷電流と前記電気二重層キャパシタのキャパシタ電流とに基づき、前記電気二重層キャパシタの充放電のスイッチング指令を前記パワーコンバータに出力する制御部と、を備えることを特徴とする車両用電源装置。
2. 前記制御部は、
   前記負荷電流の一次遅れ要素であり、前記二次電池の電流の指令値であるバッテリ電流指令値を導出するローパスフィルタと、
   前記負荷電流から前記バッテリ電流指令値を減じて前記キャパシタ電流の指令値であるキャパシタ電流指令値を算出する比較部と、
   前記キャパシタ電流と前記キャパシタ電流指令値に基づいてスイッチング指令を前記パワーコンバータに送る電流制御部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。
3. 前記電気二重層キャパシタは、第１の電圧より高いときに充電を停止し、かつ、第１の電圧より低く設定された第２の電圧より低いときに放電を停止する保護回路を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用電源装置。
   

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