JP4780402B2

JP4780402B2 - 車両用電源装置

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Publication number: JP4780402B2
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Inventors: 潔青山; 博志田村; 章加藤
Original assignee: Denso Corp
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Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2011-09-28
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Description

本発明は、車両用電源装置に関し、詳しくは電費低減型発電制御を行う車両用電源装置に関する。

近年の燃料価格の高騰により車両燃費低減の重要性がますます増大している。この燃費低減問題に対して、本出願人の出願になる下記の特許文献１は、供給する単位電力量当たりの燃費増分である電費を複数の電力供給元について個別に算出し、低電費の電力エネルギー供給元からの給電を優先することを提案している。以下、この制御方法を電費低減型発電制御方式と称する。

この電費低減型発電制御方式を採用すると、たとえば電費が安い電力供給元に電気負荷が必要とする以上の発電を行わせて余剰電力をバッテリに貯めておき、その後にバッテリ以外の電力供給元の発電電費が高くなった時に電力供給元の一つとしてのバッテリの蓄電電力量を放出することにより、他の電力供給元の発電を抑制して平均電費を低減し、燃費向上することができる。

また、従来より、車両用二電圧型電源装置が下記の特許文献２などに提案されている。車両用二電圧型電源装置は、高電圧発電機と高電圧バッテリと有して高電圧負荷に高電圧で給電する高電圧電源系と、低電圧発電機と低電圧バッテリと有して低電圧負荷に低電圧で給電する低電圧電源系と、電力融通のために両電源系間を接続するＤＣＤＣコンバータとを備えている。この車両用二電圧型電源装置は、電源電圧の増大により電力損失を低減して燃費改善することができる。
特開２００４−２６０９０８号公報特開２００１−３０９５７４号公報

本出願人の提案になる電費低減型発電制御方式は、燃費改善効果は期待できるもののそのためには充放電による劣化に良好に耐えることができる大容量バッテリを採用する必要があるが、このような高性能バッテリ（たとえばリチウム二次電池）は通常の車載蓄電装置である鉛バッテリに比べて単位蓄電量当たりの費用が格段に高価であり、その上、燃費改善効果を十分に発揮するにはバッテリ容量を従来の車載鉛バッテリに比べて格段に増大する必要があるため、初期費用及びバッテリ搭載スペース確保が、実用化のための大きな障害となっていた。

この問題について更に詳しく説明する。

上記した電費低減型発電制御方式の本質は、電気負荷が消費する消費電力（負荷消費電力）と無関係に、結果として発電電費が小さくなる発電電力にて発電を行い、この時に生じる発電電力と負荷消費電力とのアンバランスをバッテリの充放電電力により賄う点にある。

たとえば、バッテリが蓄電する単位電力量当たりの平均蓄電費用（蓄電電費）と、発電機が発電する単位電力量当たりの費用（発電電費）とを比較し、発電電費が蓄電電費より低ければ発電電力を増大して蓄電を行い、バッテリの蓄電電費を引き下げる。そして、発電電費が蓄電電費より高ければ、電力供給元としてのバッテリの放電を増大して発電機の発電を減らす。

すぐに理解されるように、この電費低減型発電制御の燃費改善効果を十分に確保するためには、蓄電装置の最大蓄電能力は、従来の車載バッテリのそれより格段に大きい必要があるということである。すなわち、蓄電装置及び発電機は、種々の電子装置など許容電源電圧変動範囲が非常に小さい車載電気負荷にも給電する必要があるため、蓄電装置の端子電圧変化範囲は小さく制限されねばならない。このため、蓄電装置の許容SOC変動範囲が小さくなってしまう。したがって、この小さい許容SOC変動範囲にて電費低減型発電制御に必要な充放電能力を実現するには蓄電装置の大幅な大型化が必要となる。

しかし、このような蓄電装置の大型化は、重量、収容スペース及び費用を増大させるという実用上の大きな問題を派生させる。更に、電費低減型発電制御では蓄電装置の頻繁な充放電が生じるため充放電サイクル特性に優れた高価な二次電池を採用しなければならず、更に費用が増大してしまう。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、蓄電装置の大型化による重量、収容スペース及び費用の増大を大幅に改善可能しつつ電費低減型発電制御による燃費向上が可能な車両用電源装置を提供することをその目的としている。

上記課題を解決する本発明の車両用電源装置は、車載エンジンにより駆動されて発電して電気負荷及び蓄電装置に給電する発電機と、前記発電機の発電を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記発電機の発電が経済的であると判断した場合に前記電気負荷駆動に必要な負荷要求電力よりも過剰に発電して前記蓄電装置に蓄電し、前記発電機の発電が非経済的であると判断した場合に前記電気負荷駆動に必要な負荷要求電力よりも過小に発電して前記蓄電装置を放電させる電費低減型発電制御を行う車両用電源装置において、少なくとも定電圧負荷に給電する第１蓄電装置と、前記エンジンにより駆動されて前記定電圧負荷及び前記第１蓄電装置に給電する第１発電機とを含む定電圧電源系と、電圧変動許容負荷に給電する第２蓄電装置と、前記エンジンにより駆動されて前記電圧変動許容負荷及び前記第２蓄電装置に給電する第２発電機とを含む電圧変動許容電源系とを有し、前記制御装置は、前記定電圧電源系に対してその電源電圧を一定レベルに維持する定電圧制御を行い、かつ、前記電圧変動許容電源系に対して前記電費低減型発電制御を行うことを特徴としている。

すなわち、この発明の電費低減型発電制御型車両用電源装置は、エンジンにより駆動されて定電圧負荷及び第１蓄電装置に給電する第１発電機と、エンジンにより駆動されて電圧変動許容負荷及び第２蓄電装置に給電する第２発電機とに電源系を分割し、定電圧負荷に給電する定電圧電源系を従来通り定電圧発電制御し、電圧変動許容負荷に給電する電圧変動許容電源系を電費低減型発電制御する。

このようにすれば、電圧変動許容電源系の第２蓄電装置の端子電圧は従来のように所定の電圧変動許容範囲に維持する必要が無いため、そのSOCの大幅な変動が可能となる。たとえば、第２蓄電装置のほぼ最大蓄電能力一杯の充電及び放電が可能となり、その結果として、電費低減型発電制御のための蓄電装置に要求される最大蓄電電力量を、最大蓄電能力が従来より格段に小さい蓄電装置にて実現することができる。したがって、蓄電装置の大型化による重量、収容スペース及び費用の増大を大幅に改善可能しつつ電費低減型発電制御を実施して、燃費向上を図ることができる。

好適な態様において、前記第２蓄電装置は、前記第１蓄電装置よりも優れた充放電サイクル寿命を有している。これにより、第１蓄電装置として安価でバッテリを使用できるとともに、優れた充放電サイクル寿命を有して高価なバッテリを電費制御を行うため充放電負担が大きい第２蓄電装置にのみ用いることができ、総合的な経済性を向上することができる。

好適な態様において、前記制御装置は、前記電圧変動許容電源系に対する前記電費低減型発電制御の実行に際して、単位発電電力量当たりの前記エンジンの燃費増分としての発電電費を算出するとともに、前記発電電費が所定値未満の場合に前記第２発電機の発電電力を増大し、前記発電電費が前記所定値以上の場合に前記第２発電機の発電電力を低減する。このようにすれば、確実に上記電費低減型発電制御による燃費改善効果を得ることができる。

好適な態様において、前記制御装置は、前記電圧変動許容電源系に対する前記電費低減型発電制御の実行に際して、予め記憶する前記エンジンのトルクと前記発電電費との関係を示す発電電費マップに所定の目標電費を代入して、前記発電電費が前記目標電費以下となる前記トルクである許可トルクの範囲を求め、前記両発電機のトルクの和が前記許可トルク範囲内にて前記第２発電機の発電電力を設定する。このようにすれば、確実に上記電費低減型発電制御による燃費改善効果を得ることができる。

好適な態様において、前記制御装置は、前記電圧変動許容電源系に対する前記電費低減型発電制御の実行に際して、前記第２蓄電装置の残存容量に応じて前記目標電費を算出する。このようにすれば、第２蓄電装置の充放電能力の範囲内にて確実に上記電費低減型発電制御による燃費改善効果を得ることができる。

好適な態様において、前記制御装置は、前記電圧変動許容電源系に対する前記電費低減型発電制御の実行に際して、前記第２蓄電装置が蓄電する単位電力量当たりの前記発電電費を蓄電電費として算出するとともに、前記蓄電電費を前記目標電費とする。このようにすれば、確実に上記電費低減型発電制御による燃費改善効果を得ることができる。

好適な態様において、前記制御装置は、前記電圧変動許容電源系に対する前記電費低減型発電制御の実行に際して、前記目標電費と前記発電電費との比較結果に基づいて、前記発電電費が前記目標電費を下回る場合に前記第２発電機の発電電力を増大させ、かつ、前記発電電費が前記目標電費を上回る場合に前記第２発電機の発電電力を低減させる。このようにすれば、電費低減型発電制御における燃費改善効果を最大とすることができる。

好適な態様において、前記制御装置は、前記電圧変動許容電源系に対する前記電費低減型発電制御の実行に際して、前記許可トルクの範囲内にて、前記発電電費を略最小値とする発電量を設定指令する。このようにすれば、電費低減型発電制御における燃費改善効果を増大とすることができる。

好適な態様において、前記制御装置は、前記目標電費と前記発電電費との電費差が大きい場合の前記第２蓄電装置の充放電電力を、前記電費差が小さい場合の前記第２蓄電装置の充放電電力よりも増大する。このようにすれば、電費低減型発電制御における燃費改善効果を増大とすることができる。

好適な態様において、両電源系間で電力を送電する直流電力伝送装置を有し、制御装置は、発電電費を低減できるかどうかを判定した場合に直流電力伝送装置の送電を許可することができる。このようにすれば、電費低減型発電制御における燃費改善効果を増大とすることができる。また、定電圧電源系を定電圧制御するために必要な第１蓄電装置の充放電容量が小さい場合でも、直流電力伝送装置を通じて電圧変動許容電源系から定電圧電源系へ給電したり、定電圧電源系から電圧変動許容電源系へ給電したりできるため、定電圧電源系の第１蓄電装置の容量を低減することができる。

好適な態様において、第２発電機は、エンジンをトルクアシストするための電動動作を行う発電電動機により構成されてもよい。これにより、第２発電機の電動動作による大きな電圧変動を許可しつつ比較的小型の第１蓄電装置によりエンジンを良好にトルクアシストすることが可能となる。

好適な態様において、前記第１蓄電装置は、鉛バッテリにより構成される。また、好適な態様において、前記第２蓄電装置は、リチウム二次電池及び／又は電気二重層キャパシタにより構成される。このようにすれば、定電圧電源系を従来の車両用電源装置の部品で構成することができるため、製造設備の新設が不要となり、装置価格を低減できる。

本発明の車両用電源装置の好適な実施態様を図面を参照して以下説明する。ただし、本発明は下記の実施態様に限定されるものでなく、本発明の技術思想を公知の技術要素の組み合わせにより実現できることは言うまでもない。

（全体構成）
この実施形態の車両用電源装置の回路構成を図１を参照して説明する。

まず、その電力系について説明する。

１は定格電圧１４Vの第１蓄電装置、２は定格電圧４２Vの第２蓄電装置、３は両蓄電装置１、２間の電力授受を行う直流電力伝送装置、４は２つの異なる電圧を出力するタンデム式の２電圧型発電機、５は定電圧負荷群、６は電圧変動許容負荷群、７は定電圧電力ライン、８は電圧変動許容電力ラインであり、２電圧型発電機４はエンジン９により駆動されている。

第１蓄電装置１、２電圧型発電機４の低電圧発電部４a、定電圧負荷群５は本発明で言う定電圧電源系を構成している。第２蓄電装置２、２電圧型発電機４の高電圧発電部４b、電圧変動許容負荷群６は本発明で言う電圧変動許容電源系を構成している。

第１蓄電装置１は、定格電圧１４Vの鉛バッテリにより構成され、その正極は定電圧電力ライン７に接続され、負極は接地されている。定電圧電力ライン７は２電圧型発電機４の低電圧出力端４Aから給電され、定電圧負荷群５に給電している。定電圧負荷群５は、定電圧状態での運転が要求される定電圧負荷L1〜L ｎにより構成されている。ただし、定電圧負荷L1〜L ｎの一部を電源電圧が低い低電圧負荷により構成しても良い。定電圧負荷L1〜L ｎとしては、たとえば、通信装置、制御装置、放送受信装置などの電子装置やヘッドランプなどが採用されている。

第２蓄電装置２は、鉛バッテリよりも充放電サイクルの経過による劣化が少ない定格電圧４２Vのリチウム二次電池により構成され、その正極は電圧変動許容電力ライン８に接続され、負極は接地されている。第２蓄電装置２をリチウム二次電池ではなく、電気二重層コンデンサにより構成してもよく、あるいはこれら両者を並列して用いても良い。電圧変動許容電力ライン８は２電圧型発電機４の高電圧出力端４Bから給電され、電圧変動許容負荷群６に給電している。なお、電圧変動許容負荷群６は、大きな印加電圧変動を許容する電圧変動許容負荷H1〜Hmにより構成されている。この電圧変動許容負荷H1〜Hmとしては、たとえばヒータ、エアコン用モータ、電動パワーステアリング用等各種モータなどが採用されている。ヒータやモータの消費電力は電圧変動により変動するが、たとえばデフロスタなどのヒータ用途やファンなどのある種類のモータ用途では、このような消費電力の変動は問題なく許容される。また、消費電力一定化が望まれる特定のモータ用途では、必要なトルクを発生するためにインバータ制御により電圧変動によるトルク変動が補償される。

直流電力伝送装置３は、ＤＣＤＣコンバータにより構成されているが、いわゆるスイッチングレギュレータなどにより構成しても良い。直流電力伝送装置３は、双方向送電可能な回路構成とされているが、単方向送電型のものでもよい。直流電力伝送装置３の省略は可能である。この種の双方向あるいは単方向送電型のＤＣＤＣコンバータの回路構成及び動作は周知であり、かつ、本発明の要旨ではないため、これ以上の説明は省略する。

次に、制御系について説明する。制御系は、後述する制御手段群とセンサ群とを有している。

１０は電源制御手段（電源コントローラとも言う）、１１は発電制御手段（レギュレータとも言う）、１３は電圧変動許容負荷制御手段（電圧変動許容負荷コントローラ）、１４はエンジン制御手段（エンジンコントローラとも言う）である。これら電源コントローラ１０、レギュレータ１１、電圧変動許容負荷コントローラ１３及びエンジンコントローラ１４は、本発明で言う制御装置を構成している。電圧変動許容負荷コントローラ１３の設置は必須ではなく、省略可能である。

センサ群は、定電圧系側の発電電流検出用の電流センサ１５、電圧変動許容系側の発電電流検出用の電流センサ１６、第２蓄電装置状態検知手段（第２蓄電装置モニタ）１８、第２蓄電装置の充放電電流検出用の電流センサ２０、アクセルセンサ２１、ブレーキセンサ２２を含んでいる。もちろん、センサ群はその他のセンサを含んでも良い。

電流センサ１５は、２電圧型発電機４の低電圧発電部４ａから定電圧電力ライン（１４Vラインとも言う）７へ出力される発電電流を検出し、検出したデータを電源コントローラ１０に送信する。電流センサ１６は、２電圧型発電機４の高電圧発電部４ｂから電圧変動許容電力ライン（４２Vラインとも言う）８へ出力される発電電流を検出し、検出したデータを電源コントローラ１０に送信する。なお、２電圧型発電機４の高電圧発電部４ｂに通常のダイオード式三相全波整流器（いわゆるレクチファイア）の代わりに三相インバータを採用すると、高電圧発電部４ｂを電動動作させて、エンジン９をトルクアシストすることができる。この場合、電流センサ１６は高電圧発電部４ｂへの入力電流を検出することになる。

第２蓄電装置モニタ１８は、電流センサ２０が検出した第２蓄電装置２の充放電電流や温度などの情報を検出して電源コントローラ１０へ送信する。この実施例では、第２蓄電装置モニタ１８は、第２蓄電装置２の充放電電流等に基づいて第２蓄電装置２のＳＯＣを算出する。アクセルセンサ２１やブレーキセンサ２２のペダル踏量も電源コントローラ１０へ送信される。アクセルセンサ２１が検出したアクセルペダル踏量の代わりにスロットルセンサで検出したスロットル開度を電源コントローラ１０に送信してもよい。これらアクセルセンサ２１やブレーキセンサ２２のペダル踏量により、回生制動の必要性やトルクアシストの必要性を判定し、この判定結果に基づいて２電圧型発電機４の高電圧発電部４ｂの発電制御又は電動制御がなされる。

電源コントローラ１０は、上記センサ群から得たデータや、電圧変動許容負荷コントローラ１３及びエンジンコントローラ１４から得たデータに基づいて、レギュレータ１１にその発電量を指令するとともに、エンジンコントローラ１４に発電のための要求トルクを指令し、直流電力伝送装置３に電力伝送量を指令する。また、電圧変動許容負荷コントローラ１３との間で電圧変動許容負荷Ｈ１〜Ｈｍの状態検出と消費電力分配制御のためのデータ授受を行う。なお、上記トルクアシストの場合には、上記発電量は負値となる。

レギュレータ１１は、２電圧型発電機４の発電を制御する。この実施例の２電圧型発電機４は発電量を互いに独立調整可能な低電圧発電部４aと高電圧発電部４bとを有する。このため、電源コントローラ１０は、定電圧電源系のための発電量指令と、電圧変動許容電源系のための発電量指令とを出力する。この実施形態では、定電圧電源系のための発電量指令は第１蓄電装置１の端子電圧を一定とするための従来と同じ定電圧制御であり、電源コントローラ１０を通じて受信した第１蓄電装置１の端子電圧とその目標電圧との偏差を０とするべく２電圧型発電機４の低電圧発電部４aの界磁電流量を調整する。この制御は従来通りなので、これ以上の説明は省略する。電圧変動許容電源系のための発電量指令は上記した電費低減型発電制御であるので、これについては後で詳しく説明する。

電圧変動許容負荷コントローラ１３は、各電圧変動許容負荷Ｈ１〜Ｈｍの電力消費を調整するコントローラである。各電圧変動許容負荷Ｈ１〜Ｈｍはそれぞれ複数の電気負荷を含んでいても良い。この実施例では、電圧変動許容負荷コントローラ１３は、電圧変動許容負荷Ｈ１〜Ｈｍへの給電を個別に制御する回路構成を採用している。他の形態として、電圧変動許容負荷コントローラ１３が各電圧変動許容負荷Ｈ１〜Ｈｍの消費電力を検出する回路構成としてもよい。いずれにせよ、少なくとも各電圧変動許容負荷Ｈ１〜Ｈｍの消費電力の把握が好適であるが、単に各電圧変動許容負荷Ｈ１〜Ｈｍの消費電力合計を検出するだけなら、電流センサ１６が検出する発電電流値と、電流センサ２０が検出する第２蓄電装置２の充放電電流値との差を検出すればよい。ただし、この場合、直流電力伝送装置３の送電は想定していない。

電圧変動許容負荷コントローラ１３が各電圧変動許容負荷Ｈ１〜Ｈｍを個別制御する場合、この個別制御（配電制御とも言う）は、開閉という単純な配電制御の他、スイッチング制御による連続的な消費電力調節を行っても良い。配電制御として、各電圧変動許容負荷Ｈ１〜Ｈｍのうち優先順位の高い負荷から優先的に電力を供給する公知の優先順配電制御を採用しても良い。その他、電圧変動許容負荷コントローラ１３を省略して各電圧変動許容負荷Ｈ１〜Ｈｍの電力消費の調整すなわち集中的な配電制御を廃止してもよい。

エンジンコントローラ１４は、電源コントローラ１０から目標電費を受け取るとともに、この目標電費を達成可能な範囲にて２電圧型発電機４に割り当てるトルク範囲である許可トルクを算出し、算出した許可トルクを電源コントローラ１０に出力する。この許可トルクの算出は、予め記憶するエンジン燃費とトルクとの関係を示すマップに受け取った目標電費を入力して行われる。

電源コントローラ１０は、受け取った許可トルクの範囲にて２電圧型発電機４に割り当てるトルクである要求トルクを最終的に決定し、この要求トルクをエンジンコントローラ１４に伝達する。エンジンコントローラ１４は受け取った要求トルクに対応するエンジントルクを２電圧型発電機４の駆動のために発生するべく燃料供給などを制御する。電源コントローラ１０は、エンジンコントローラ１４に要求した要求トルクに対応する総発電量に相当する低電圧発電部４ａの発電量と高電圧発電部４ｂの発電量とをレギュレータ１１に送信する。レギュレータ１１は、これら発電量に相当する発電を行う。この総発電量は、低電圧発電部４ａの発電量と高電圧発電部４ｂの発電量との合計であるが、この実施形態では、低電圧発電部４ａは、既述したように定電圧電力ライン７の電圧を一定とする従来の発電制御を行っているため、高電圧発電部４ｂの発電量は、直流電力伝送装置を運転しない場合には上記した要求トルクに対応する総発電量から低電圧発電部４ａの発電量を差し引いた値となり、更に詳しくは、電圧変動許容負荷Ｈ１〜Ｈｍの消費電力と第２蓄電装置２の充放電電力との和となる。高電圧発電部４ｂの発電量の決定については、後述する。

その他、電源コントローラ１０は、定電圧電源系と電圧変動許容電源系との間の電力分配の適正化のために直流電力伝送装置３を運転する。なお、上記した各種の制御機能は、上記各コントローラに固有のものではなく、適宜、他のコントローラに処理を移管することができる。また、各コントローラを統合することも当然可能である。以下の説明では、各コントローラは統合されていると仮定して、電圧変動許容電源系における電費低減型発電制御の説明を行う。

（電費低減型発電制御）
電圧変動許容電源系に対して実行する電費低減型発電制御について図２に示すフローチャートを参照して具体的に説明する。ただし、この制御は一例であり、多くの変形が可能である。

まず、目標電費ＤＭを算出する（Ｓ１００）。

この実施形態では、目標電費ＤＭは以下に説明する第１目標電費ＤＭ１と第２目標電費ＤＭ２との高い方を選択して目標電費ＤＭとする。

第１目標電費ＤＭ１は、高電圧発電部４ｂの発電の是非を決定する一種のしきい値である。第１目標電費ＤＭ１は、他の電費と同じく単位電力量（ｋWh）の発電に要する燃費（ｇ）として定義される。この実施形態では、第１目標電費ＤＭ１は、予め記憶する第２蓄電装置２の残容量S（ＳＯＣでもよい）と第１目標電費ＤＭ１との関係を示すマップ（図３参照）に第２蓄電装置２の残容量S（又はＳＯＣ）の今回値SPを代入して第１目標電費DM１の今回値DM１Pを算出する。このようにすることにより、第２蓄電装置２の残容量Ｓが小さくなればその充電が促進され、残容量Ｓが大きくなればその放電が促進されることになる。

第２目標電費ＤＭ２は第２蓄電装置２の蓄電電費Ｄｓの今回値とされる。この蓄電電費Ｄｓとは、第２蓄電装置２に蓄電した電力量（蓄電電力量ｐ）の発電電費Ｄとして定義される。蓄電電費Ｄｓの算出は、第２蓄電装置２に単位電力量を充電する度にその時の発電電費Ｄを読み込んで記憶する。これにより、第２蓄電装置２が蓄電する各単位電力量ごとにその時の発電電費Ｄがわかるため、各発電電費Ｄの平均値を算出することにより、第２蓄電装置２が蓄電する各単位電力量の発電電費Ｄの平均値を蓄電電費Dｓとする。第２蓄電装置２が所定時点にて単位電力量を放電した場合には、この放電した単位電力量は、この所定時点における蓄電電費Ｄｓにて放電したわけであるから、残存する蓄電電力量ｐの蓄電電費Ｄｓは変化せず、第２蓄電装置２の蓄電電力量ｐだけがこの放電した単位電力量だけ減少したとみなす。その後、蓄電電費Ｄｓにて蓄電電力量ｐを蓄電する第２蓄電装置２に発電電費Ｄ１にて単位電力量をPUを充電する場合の新しい蓄電電費Ｄｓ’は、（Ｄｓ×ｐ＋Ｄ１×PU）／（ｐ＋PU）となり、新しい蓄電電力量ｐ’はｐ＋PUとなる。第２蓄電装置２の蓄電電費Ｄｓを第２目標電費ＤＭ２とする意味は、第２蓄電装置２が蓄電する単位電力量当たりの費用である蓄電電費Ｄｓより現在の発電電費Ｄが低ければ、蓄電電費Ｄｓを引き下げるべく第２蓄電装置２への充電が奨励され、第２蓄電装置２が蓄電する単位電力量当たりの費用である蓄電電費Ｄｓより現在の発電電費Ｄが高ければ、この高い高電圧発電部４ｂの発電電力ではなく、相対的に安い第２蓄電装置２の蓄電電力量ｐを用いて電圧変動許容負荷Ｈ１〜Ｈｍを駆動することにより、全体として燃費低減を実現する点にある。

ステップＳ１００では、上記のように算出された第１目標電費ＤＭ１の今回値と第２目標電費ＤＭ２の今回値とのうち高い方を目標電費ＤＭとする。

次に、許可トルクΔTを算出する（Ｓ１０２）。この許可トルクΔTの算出は、予め記憶する現在のエンジン回転数におけるエンジントルクTと発電電費Dとの関係を示すマップ（図４参照）に、目標電費ＤＭを代入して許可トルクΔTを算出する（Ｓ１０２）。なお、図４は、燃料消費量Fと発電電費（電費）DとエンジントルクTとの関係を示す特性図である。発電電費Dは単に電費とも呼ばれるが、高電圧発電部４ｂが発電する単位電力量当たりの燃費として定義することができる。発電電費Ｄは、図４に示すようにエンジントルクの関数となるが、エンジン回転数の関数でもある。この実施形態では、図４に示すマップを各エンジン回転数ごとに複数有しており、最も近いマップを選択使用するものとする。もちろん、演算を簡単とするため、代表的な回転数のマップのみを用いても良い。許可トルクΔTは、発電電費Dが目標電費ＤＭよりも低いエンジントルク範囲を指定する用語である。したがって、許可トルクは、図４において許可トルク最小値Ｔdmin〜許可トルク最大値Ｔdmaxにより規定される。

次に、２電圧型発電機４の高電圧発電部４bが発電可能な発電可能トルクＴ４２すなわち発電トルクの実現可能な最大値を求める（Ｓ１０４）。発電可能トルクＴ４２は、予め記憶するエンジン回転数（発電機回転数でもよい）と発電可能トルクＴ４２との関係を示すマップにエンジン回転数を代入することにより算出される。

次に、２電圧型発電機４の低電圧発電部４aが消費している発電トルクＴ１２を算出する（Ｓ１０６）。この発電トルクＴ１２の算出は、電流センサ１５により検出した発電電流値と定電圧電源系の電圧とから算出される低電圧発電部４ａの出力電力に所定の発電機損失を加算して容易に推定することができる。なお、直流電力伝送装置３を運転して電圧変動許容電源系から定電圧電源系へ送電する場合、あるいはその逆の場合も存在するが、この場合は、直流電力伝送装置３を電圧変動許容電源系における電圧変動許容負荷Ｈ１〜Ｈｍの一つと見なして扱うことが便利である。

次に、発電可能トルクＴ４２と発電トルクＴ１２の和を合計発電可能トルクΣTとして算出する。この合計発電可能トルクΣＴは、２電圧型発電機４が発電にて消費可能なトルクである。

次に、電源コントローラ１０は、２電圧型発電機４の発電制御と直流電力伝送装置３の送電制御とを行う（Ｓ１１０）。この給電制御について、図５に示すフローチャートを参照して説明する。

まず、現在の発電電費Dの最小値である最小電費Xが、目標電費ＤＭより低いかどうかを調べ（Ｓ１１００）、ノーであれば高価な発電電費Ｄでの発電を中断して燃費を節約する。この時、第１蓄電装置１は定電圧電力ライン７を通じて定電圧負荷Ｌ１〜Ｌｎに放電し、第２蓄電装置２は電圧変動許容電力ライン８を通じて電圧変動許容負荷Ｈ１〜Ｈｍに放電する。電源コントローラ１０は、定電圧電力ライン７の電圧を所定の小範囲から逸脱しないように直流電力伝送装置３を運転制御し、これにより、第２蓄電装置２から定電圧電力ライン７への送電が行われ、定電圧電力ライン７の電圧変動が抑止される。第２蓄電装置２の端子電圧低下により電圧変動許容電力ライン８の電圧低下は大きくなるが、電圧変動許容負荷Ｈ１〜Ｈｍはそれを許容するため問題は生じない。なお、このような制御を持続すると、第１目標電費ＤＭ１が増大するため、それが最小電費Ｘより大きくなった時点にて次のステップＳ１１０４が実行される。

ステップＳ１１０４では、発電０の場合のエンジントルクである無発電エンジントルクをT0とする時、この無発電エンジントルクT0に合計発電可能トルクΣＴを加えたエンジントルク値（T0＋ΣＴ）が許可トルク最小値Ｔdmin〜許可トルク最大値Ｔdmaxの範囲内かどうかを判定する。許可トルク最小値Ｔdmin及び許可トルク最大値Ｔdmaxの両方ともエンジントルク値であるため、合計発電可能トルクΣＴとの比較のためには無発電エンジントルクＴ０を合計発電可能トルクΣＴに加算する必要があることに注意されたい。当業者であれば無発電エンジントルクT0の算出は公知の手法にて容易に算出可能であるため、説明は省略する。

もし範囲内であれば、通常の一定電圧発電制御での運転を低電圧発電部４ａに指令し、かつ、ステップＳ１０４で算出した発電可能トルクＴ４２に相当する発電量での発電を高電圧発電部４ｂに指令する（Ｓ１１０６）。この発電量の指令により、レギュレータ１１は高電圧発電部４ｂの界磁電流をそれに見合った値に調整する。

この時、直流電力伝送装置３は停止される。高電圧発電部４ｂに発電可能トルクＴ４２に対応する発電量で発電させることにより、発電余剰分は第２蓄電装置２に充電される。

ステップＳ１１０４にて、無発電エンジントルクＴ０と合計発電可能トルクΣＴとの和が許可トルク最小値Ｔdmin〜許可トルク最大値Ｔdmaxの範囲内でなければ、ステップＳ１１０８に進む。

ステップＳ１１０８では、無発電エンジントルクＴ０と合計発電可能トルクΣＴとの和が許可トルク最大値Ｔdmaxより大きく、かつ、無発電エンジントルクＴ０と発電トルクＴ１２との和が許可トルク最大値Ｔdmaxより小さいかどうかを判定する。イエスであれば、Ｔdmax−（Ｔ０＋Ｔ１２）を高電圧発電部４ｂの発電トルクＴ４２ｘとして決定し、この発電トルクＴ４２ｘに対応する発電量をレギュレータ１１に指令する（Ｓ１１１０）。この時、通常の一定電圧発電制御での運転を低電圧発電部４ａに指令し、かつ、直流電力伝送装置３は停止される。これにより、電圧変動許容負荷Ｈ１〜Ｈｍの状況に関わらず、高電圧発電部４ｂの発電は発電電費Ｄが目標電費ＤＭとなる範囲にて経済的に行われる。

（変形例）
高電圧発電部４ｂの発電トルクＴ４２ｘの算出の他の方法を以下に説明する。

ステップＳ１１０８にて、無発電エンジントルクＴ０と合計発電可能トルクΣＴとの和が図４に示す最小電費ＸにおけるエンジントルクTｘより大きく、かつ、無発電エンジントルクＴ０と発電トルクＴ１２との和がこのエンジントルクTｘより小さいかどうかを判定する。イエスであれば、Ｔｘ−（Ｔ０＋Ｔ１２）を高電圧発電部４ｂの発電トルクＴ４２ｘとして決定し、この発電トルクＴ４２ｘに対応する発電量をレギュレータ１１に指令する（Ｓ１１１０）。これにより、合計発電可能トルクΣＴ＝Ｔ４２ｘ＋Ｔ１２となり、エンジントルクはＴｘとなり、エンジンは最小電費Ｘで運転されることになる。これにより、電圧変動許容負荷Ｈ１〜Ｈｍの状況に関わらず、高電圧発電部４ｂの発電は発電電費Ｄが最小電費Ｘとなる条件にて経済的に行われる。

ステップＳ１１０８にて無発電エンジントルクＴ０と合計発電可能トルクΣＴとの和が許可トルク最大値Ｔdmax以下か、もしくは、無発電エンジントルクＴ０と発電トルクＴ１２との和が許可トルク最大値Ｔdmax以上の場合には、ステップＳ１１１２に進む。

ステップＳ１１１２では、無発電エンジントルクＴ０と発電トルクＴ１２との和が許可トルク最大値Ｔdmaxに略等しいかどうかを判定し、略等しければ高電圧発電部４ｂの発電を停止し、低電圧発電部４ａを一定電圧発電制御で運転させ、直流電力伝送装置３を停止する（Ｓ１１１４）。ステップＳ１１１２にて無発電エンジントルクＴ０と発電トルクＴ１２との和が許可トルク最大値Ｔdmaxに略等しくなければ、ステップＳ１１０２に進む。

上記したステップＳ１１０２、Ｓ１１１４、Ｓ１１１０、Ｓ１１０６におけるレギュレータ１１や直流電力伝送装置３への給電指令の後、ステップＳ１１１６にて合計発電可能トルクΣＴに無発電エンジントルクＴ０を加算した値を要求トルクとしてエンジンコントローラ１４に要求する。

図５のステップＳ１１０２（給電モードC）、Ｓ１１１４（給電モードB）、Ｓ１１１０（給電モードA’）、Ｓ１１０６（給電モードA）で求めた各給電制御指令を図６のチャートに整理して図示する。また、各給電モードにおけるトルク変化を図７〜図１１を参照して更に説明する。なお、各図において、aは発電しない状態、bは低電圧発電部４ａのみ発電する状態、c，dは低電圧発電部４ａも高電圧発電部４ｂも発電する状態を示す。なお、cは高電圧発電部４ｂを発電トルクＴ４２でフル発電した状態、dは４ｂを発電トルクＴ４２ｘで部分発電する状態を示す。

図７は既述した最小電費Ｘでの発電を行う給電制御を、図８は給電モードBを、図９は給電モードAを、図１０は給電モードA'を、図１１は給電モードCを示す。図９のa、bは異なるエンジン運転状態を示す。図１０、図１１のa〜cは異なるエンジン運転状態を示す。上記した電費低減型発電制御により、電圧変動許容負荷Ｈ１〜Ｈｍの消費電力合計を供給することよりも発電電費低減を優先して発電制御を行うため、燃費改善効果を実現することができる。

（変形態様）
上記した２電圧型発電機４の発電制御及び直流電力伝送装置３の送電制御に加えて、電圧変動許容負荷Ｈ１〜Ｈｍに優先順位を付与し、目標電費ＤＭ又は第２蓄電装置２の蓄電状態などに応じて、電圧変動許容負荷Ｈ１〜Ｈｍへの給電をこの優先順位に応じて調整してもよい。すなわち、給電電力に制限がある場合には、給電電力の大きさに応じて優先順位が低い電圧変動許容負荷への給電を停止したり、削減してもよい。

実施形態の車両用電源装置の回路構成を示すブロック回路図である。電費低減型発電制御例を示すフローチャートである。第１目標電費ＤＭ１と第２蓄電装置２の残容量Sとの関係を示すマップである。エンジン回転数におけるエンジントルクTと発電電費Dとの関係を示すマップである。実施形態の給電制御の決定処理を説明するフローチャートである。図５で決定された給電制御を整理したチャートである。最小電費Ｘでの発電を行う給電制御を示すマップである。給電モードBを示すマップである。給電モードAを示すマップである。給電モードA'を示すマップである。給電モードCを示すマップである。

符号の説明

１第１蓄電装置
２第２蓄電装置
３直流電力伝送装置
４A 低電圧出力端
４B 高電圧出力端
４a 低電圧発電部
４b 高電圧発電部
４２電圧型発電機
５定電圧負荷群
６電圧変動許容負荷群
７定電圧電力ライン
８電圧変動許容電力ライン
９エンジン
１０電源コントローラ
１１レギュレータ
１３電圧変動許容負荷コントローラ
１４エンジンコントローラ
１５電流センサ
１６電流センサ
１８蓄電装置モニタ
２０電流センサ
２１アクセルセンサ
２２ブレーキセンサ

Claims

車載エンジンにより駆動されて発電して電気負荷及び蓄電装置に給電する発電機と、前記発電機の発電を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記発電機の発電が経済的であると判断した場合に前記電気負荷駆動に必要な負荷要求電力よりも過剰に発電して前記蓄電装置に蓄電し、前記発電機の発電が非経済的であると判断した場合に前記電気負荷駆動に必要な負荷要求電力よりも過小に発電して前記蓄電装置を放電させる電費低減型発電制御を行う車両用電源装置において、
少なくとも定電圧負荷に給電する第１蓄電装置と、前記エンジンにより駆動されて前記定電圧負荷及び前記第１蓄電装置に給電する第１発電機とを含む定電圧電源系と、
電圧変動許容負荷に給電する第２蓄電装置と、前記エンジンにより駆動されて前記電圧変動許容負荷及び前記第２蓄電装置に給電する第２発電機とを含む電圧変動許容電源系と、
を有し、
前記制御装置は、
前記定電圧電源系に対してその電源電圧を一定レベルに維持する定電圧制御を行い、かつ、前記電圧変動許容電源系に対して前記電費低減型発電制御を行うことを特徴とする車両用電源装置。
請求項１記載の車両用電源装置において、
前記第２蓄電装置は、前記第１蓄電装置よりも優れた充放電サイクル寿命を有している車両用電源装置。
請求項１又は２記載の車両用電源装置において、
前記制御装置は、
前記電圧変動許容電源系に対する前記電費低減型発電制御の実行に際して、単位発電電力量当たりの前記エンジンの燃費増分としての発電電費を算出するとともに、前記発電電費が所定値未満の場合に前記第２発電機の発電電力を増大し、前記発電電費が前記所定値以上の場合に前記第２発電機の発電電力を低減する車両用電源装置。
請求項３記載の車両用電源装置において、
前記制御装置は、
前記電圧変動許容電源系に対する前記電費低減型発電制御の実行に際して、予め記憶する前記エンジンのトルクと前記発電電費との関係を示す発電電費マップに所定の目標電費を代入して、前記発電電費が前記目標電費以下となる前記トルクである許可トルクの範囲を求め、
前記両発電機のトルクの和が前記許可トルク範囲内となる条件にて前記第２発電機の発電電力を設定する車両用電源装置。
請求項４記載の車両用電源装置において、
前記制御装置は、
前記電圧変動許容電源系に対する前記電費低減型発電制御の実行に際して、前記第２蓄電装置の残存容量に応じて前記目標電費を算出する車両用電源装置。
請求項４記載の車両用電源装置において、
前記制御装置は、
前記電圧変動許容電源系に対する前記電費低減型発電制御の実行に際して、前記第２蓄電装置が蓄電する単位電力量当たりの前記発電電費を蓄電電費として算出するとともに、前記蓄電電費を前記目標電費とする車両用電源装置。
請求項５又は６記載の車両用電源装置において、
前記制御装置は、
前記電圧変動許容電源系に対する前記電費低減型発電制御の実行に際して、前記目標電費と前記発電電費との比較結果に基づいて、前記発電電費が前記目標電費を下回る場合に前記第２発電機の発電電力を増大させ、かつ、前記発電電費が前記目標電費を上回る場合に前記第２発電機の発電電力を低減させる車両用電源装置。
請求項５記載の車両用電源装置において、
前記制御装置は、
前記電圧変動許容電源系に対する前記電費低減型発電制御の実行に際して、前記許可トルクの範囲内にて前記発電電費を略最小値とする発電量を設定して指令する車両用電源装置。
請求項４記載の車両用電源装置において、
前記制御装置は、
前記目標電費と前記発電電費との電費差が大きい場合の前記第２蓄電装置の充放電電力を、前記電費差が小さい場合の前記第２蓄電装置の充放電電力よりも増大する車両用電源装置。
請求項１乃至９のいずれか記載の車両用電源装置において、
前記第１蓄電装置は、鉛バッテリにより構成されている車両用電源装置。
請求項１乃至９のいずれか記載の車両用電源装置において、
前記第２蓄電装置は、リチウム二次電池及び／又は電気二重層キャパシタにより構成されている車両用電源装置。