JP2011130534A - Power supply device for vehicle - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a vehicle power supply device that supplies power to a vehicle.
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。 In recent years, electric double layer capacitors have been used in combination with secondary batteries such as lead storage batteries and nickel metal hydride batteries as power supply devices for vehicles such as electric vehicles and hybrid vehicles. The secondary battery has the characteristic that the energy capacity is large but the energy density is low, whereas the electric double layer capacitor has the opposite characteristic that the energy density is small but the energy density is high.
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。 Patent Document 1 discloses a power storage device for a hybrid vehicle that includes an electric double layer capacitor and a secondary battery and is capable of charging and discharging between the electric double layer capacitor and the secondary battery. In this power storage device, electricity is supplied from an electric double layer capacitor to a load, and a secondary battery is used to charge the electric double layer capacitor.
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。 However, in a power storage device such as Patent Document 1, since power is directly supplied from an electric double layer capacitor to a load, a large number of electric double layer capacitor cells having a small energy capacity are connected in series to drive the load. Have gained. Therefore, the electric double layer capacitor may be increased in size in order to maintain a high voltage.
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。 Therefore, an object of the present invention is to reduce the size of an electric double layer capacitor of a vehicle power supply device including a secondary battery and an electric double layer capacitor.
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。 The present invention provides a secondary battery for supplying power to a load mounted on a vehicle, an electric double layer capacitor connected in parallel to the secondary battery, and between the secondary battery and the electric double layer capacitor. A power converter that is interposed and switches between the secondary battery and the electric double layer capacitor so as to be able to charge and discharge bidirectionally, and based on the load current of the load and the capacitor current of the electric double layer capacitor, And a control unit that outputs a switching command for charging and discharging the double layer capacitor to the power converter.
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。 According to the present invention, the electric double layer capacitor is connected via the power converter in parallel with the secondary battery that supplies current to the load. Since the terminal voltage of the electric double layer capacitor is boosted by the power converter and supplied to the load, there is no need to increase the voltage by connecting multiple terminals in series, and the electric double layer capacitor can be downsized.
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。 Since the secondary battery has a large energy capacity, a plurality of secondary batteries are not connected in series to obtain a desired voltage, and a high voltage of several hundred volts can be obtained independently. Therefore, it is suppressed that a secondary battery is connected in series and enlarged in order to obtain the voltage which can drive a load.
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。
Below, the
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。
First, the configuration of the vehicle
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。
The vehicle
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。
The vehicle
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。
In this specification, the current generated by the load 1 and the current flowing through the load 1 are referred to as load current, the current generated by the
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。
The load 1 is an electrical equipment mounted on a vehicle such as a drive motor. When the load 1 is a driving motor, the driving voltage is about 200 V, for example, and the driving voltage is higher than other auxiliary devices mounted on the vehicle. The driving motor receives electric power to generate a driving force of the vehicle when the vehicle is accelerated or the like, and regenerates traveling energy to generate power as a generator when the vehicle is decelerated or the like. A
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。
The
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。
The terminal voltage of the
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。
The electric
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。
The electric
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。
The terminal voltage of the electric
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。
The electric
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。
The first voltage is a high voltage when the electric
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。
The second voltage is a low voltage at which the electric
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。
The electric
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。
The
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。
When electric power is supplied from the electric
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。
On the other hand, when the load 1 or the
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。
In general, a large number of electric
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。
On the other hand, in the vehicle
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。
Note that the
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。
Further, since the electric power supplied from the electric
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。
Since the vehicle
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。
Next, the configuration of the
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。
The
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。
The
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。
The low-
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。
The low-
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。
The actual load current value detected by the load
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。
The
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。
Here, since the battery current command value is a value for calculating the capacitor current command value, the battery current of the
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。
Below, the effect | action of the
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。 In FIG. 3, the horizontal axis represents time, the vertical axis represents the charge / discharge current, the load current change is indicated by a thin solid line, the battery current change is indicated by a thick solid line, and the capacitor current change is indicated by a broken line. Yes. In FIG. 3, the capacitor current and the battery current are schematically shown as straight lines.
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。 At time A in FIG. 3, a square-wave charging current is input from the load 1 as a load current. This is the case in an electric vehicle or a hybrid vehicle in which a regenerative brake works and the drive motor becomes a generator to generate electricity.
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。
Since the current value of the battery current charged in the
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。
Here, the electric
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。
At time B in FIG. 3, the square-wave load current becomes zero, and the load 1 does not charge the electric
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。
Since the current value of the battery current is a first-order lag element of the load current, it does not become zero at the same time as the load current becomes zero, but gradually becomes smaller and eventually becomes zero. At this time, since the load 1 does not generate a charging current, the electric
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。 At time C in FIG. 3, a square wave current is output to the load 1. This is a case where the drive motor is driven in an electric vehicle or a hybrid vehicle.
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。
Since the current value of the battery current discharged from the
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。
At time D in FIG. 3, the square-wave load current becomes zero, and the electric
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。
Since the current value of the battery current is a first-order lag element of the load current, it does not become zero at the same time as the load current becomes zero, but gradually becomes smaller and eventually becomes zero. Since the load 1 does not consume power, the
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。
As described above, the electric
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。
Moreover, since the charging / discharging current of the
以上の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。 According to the above embodiment, the following effects are produced.
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。
In vehicle
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。
Note that the
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。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is obvious that various modifications can be made within the scope of the technical idea.
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。 The vehicle power supply device according to the present invention can be used as a power supply device for a vehicle such as an electric vehicle or a hybrid vehicle.
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
DESCRIPTION OF
Claims (3)
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。 A secondary battery for supplying power to a load mounted on the vehicle;
An electric double layer capacitor connected in parallel to the secondary battery;
A power converter that is interposed between the secondary battery and the electric double layer capacitor, and switches between the secondary battery and the electric double layer capacitor in a bidirectionally chargeable and dischargeable manner;
A vehicle power supply comprising: a control unit that outputs a switching command for charging and discharging the electric double layer capacitor to the power converter based on a load current of the load and a capacitor current of the electric double layer capacitor. apparatus.
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。 The controller is
A low-pass filter that is a primary delay element of the load current and derives a battery current command value that is a command value of the current of the secondary battery;
A comparator that subtracts the battery current command value from the load current to calculate a capacitor current command value that is a command value of the capacitor current;
The vehicle power supply device according to claim 1, further comprising: a current control unit that sends a switching command to the power converter based on the capacitor current and the capacitor current command value.
The electric double layer capacitor includes a protection circuit that stops charging when it is higher than a first voltage and stops discharging when it is lower than a second voltage set lower than the first voltage. The vehicle power supply device according to claim 1 or 2.
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