充放电系统.pdf

具备向电动发电机供给电力并被充入电动发电机发电得到的电力的第一充电装置和第二充电装置、电力转换装置以及控制装置，其中，控制装置在将被充入到第一充电装置的电力供给到电动发电机而第一充电装置的充电容量成为第二规定值以下的情况下，控制电力转换装置使得将被充入到上述第二充电装置的电力充入到上述第一充电装置，在第一充电装置的充电容量成为第一规定值以下的情况下，使电动发电机的驱动力与上述充电容量相应地减少。

1.  一种充放电系统，具备：
电动发电机，其是驱动车辆的驱动力源，利用车辆的动力来进行发电；
第一充电装置，其向上述电动发电机供给电力，被充入上述电动发电机发电得到的电力；
第二充电装置，其是与上述第一充电装置不同的充电装置；
电力转换装置，其使上述第一充电装置与上述第二充电装置之间相互进行充放电；以及
控制装置，其控制上述电动发电机和上述电力转换装置的动作，
其中，在上述第一充电装置的充电容量变得小于第一规定值的情况下，上述控制装置进行控制使得将上述电动发电机发电得到的电力充入到上述第一充电装置，
在上述第二充电装置的充电容量变得小于第二规定值的情况下，上述控制装置进行控制使得将被充入到上述第一充电装置的电力充入到上述第二充电装置，其中，该第二规定值大于上述第一规定值。

2.  根据权利要求1所述的充放电系统，其特征在于，
上述第一充电装置包括电容器，
上述第二充电装置包括二次电池。

3.  根据权利要求1或2所述的充放电系统，其特征在于，
在上述第二充电装置的充电容量成为第三规定值以上的情况下，上述控制装置控制上述电力转换装置使得停止将被充入到上述第一充电装置的电力充入到上述第二充电装置。

4.  根据权利要求3所述的充放电系统，其特征在于，
上述第一规定值是上述第一充电装置能够输出电力的下限值，
上述第二规定值是上述第二充电装置能够输出电力的下限值，
上述第三规定值是上述第二充电装置能够稳定地输出电力的规定值。

5.  根据权利要求1至4中的任一项所述的充放电系统，其特征在于，
还具备发动机，该发动机是驱动车辆的驱动力源，
上述控制装置利用上述电动发电机和上述发动机中的至少一方的动力来驱动车辆，利用上述发动机的驱动力使上述电动发电机发电。

充放电系统
技术领域
本发明涉及一种充入和放出电能的充放电系统。
背景技术
为了向作为车辆等的驱动力源的电动机供给电力，能够使用电池。例如将铅蓄电池、锂离子电池等二次电池用作电池。另外，除电池装置以外，还已知通过双电层电容器等来充入和放出电能的装置。
电池具有以下特性：能够蓄积的容量大，但是若进行高频度的充放电、深度大的充放电则寿命会降低。电容器具有以下特性：耐高频度的充放电、深度大的充放电而寿命长，但能够蓄积的容量比较小。这样，电池与电容器的特性不同，因此在同时搭载电池和电容器的情况下，需要进行与各自的特性相应的控制。
在日本JP2008-035670A中公开了以下内容：在搭载基于电池和电容器的多个充电机构的车辆中，确保输出性能比其它充电机构的输出性能优异的充电机构的充电量。
另外，在日本JP2007-223458A中公开了以下内容：为了驱动泵、马达、风扇等电动辅机，不经由电压转换装置地通过副电池来进行驱动。
发明内容
电池若进行高输出、高频度的充放电、深度大的充放电则寿命会降低，因此优选的是使电容器分担这种充放电。另一方面，在以往技术中，切换为电池和电容器中的某一方来进行充放电，因此未必能够高效地进行充放电。特别是电池的电力还被辅机等消耗，因此若不适当地控制电池和电容器的充放电，则能量效率会降低。
本发明是鉴于这种问题而完成的，其目的在于提供如下的充放电系统： 在搭载有电池、电容器等负荷、充放电特性不同的多个充电装置的充放电系统中，能够提高能量效率。
根据本发明的某个实施方式，提供一种充放电系统，该充放电系统具备：电动发电机，其是驱动车辆的驱动力源，利用车辆的动力来进行发电；第一充电装置，其向电动发电机供给电力，被充入电动发电机发电得到的电力；第二充电装置，其是与第一充电装置不同的充电装置；电力转换装置，其使第一充电装置与第二充电装置之间相互进行充放电；以及控制装置，其控制电动发电机和电力转换装置的动作，其中，在第一充电装置的充电容量变得小于第一规定值的情况下，控制装置进行控制使得将电动发电机发电得到的电力充入到第一充电装置，在第二充电装置的充电容量小于第二规定值的情况下，控制装置进行控制使得将被充入到第一充电装置的电力充入到第二充电装置。
下面参照附图来详细说明本发明的实施方式、本发明的优点。
附图说明
图1是应用了本发明的实施方式的充放电系统的车辆的说明图。
图2A是本发明的实施方式的电容器的充放电对应图的一例的说明图。
图2B是本发明的实施方式的电池的充放电对应图的一例的说明图。
图2C是本发明的实施方式的电池的充放电对应图的一例的说明图。
图3是表示搭载有本发明的实施方式的充放电系统的车辆的运转状态和电容器、电池各自的SOC的状态的说明图。
图4是本发明的实施方式的电池的SOC变得小于阈值X1+α％的情况下从电容器20向电池40充电的充电对应图的更加详细的说明图。
图5是基于本发明的实施方式的电容器和电池的SOC的充电控制的说明图。
图6是本发明的实施方式的控制器所执行的电容器和电池的充电控制的流程图。
具体实施方式
图1是应用了本发明的实施方式的充放电系统1的车辆的说明图。
充放电系统1具备逆变器10、电容器20、电力转换装置30、电池40、控制器50、控制器100以及电动发电机60。
电容器20(第一充电装置)例如由双电层电容器构成，充入和放出电力。电池40(第二充电装置)例如由锂离子二次电池构成，充入和放出电力。
电容器20和电池40经由逆变器10将所充入的电力供给到电动发电机60。另外，经由逆变器10充入由电动发电机60发电得到的电力。逆变器10在电容器20及电池40与电动发电机60之间进行交流直流的转换。
电力转换装置30例如由DC/DC转换器构成，通过在电容器20与电池40之间进行电压的升降来从电容器20向电池40进行充电或者从电池40向电容器20进行充电。
在电池40上连接有电动辅机70，电池40向电动辅机70供给电力。电动辅机70包括空调、冷却水回路的泵、散热器的风扇、其它电气驱动的装置等。
电动发电机60(motor generator)作为车辆的驱动力源而发挥功能，使驱动轮90旋转。另外，电动发电机60在车辆减速时作为发电机而发挥功能，回收为再生电力。发动机80与电动发电机60一起作为车辆的驱动力源而发挥功能，或由发动机80单体作为车辆的驱动力源而发挥功能。另外，发动机80还能够驱动电动发电机60来使电动发电机60发电。
控制器50检测电容器20和电池40的充电状态(SOC：State of Charge)。另外，控制器50控制电力转换装置30的动作。控制器100控制逆变器10和发动机80的动作。
在请求车辆从停止状态起步时，控制器100通过将被充入到电容器20的电力经由逆变器10供给到电动发电机60来使车辆起步。
在被充入到电容器20的电力被消耗掉时，控制器50将被充入到电池40的电力经由电力转换装置30供给到电容器20。控制器100通过该电力来驱动电动发电机60。此时，控制器100也可以使发动机80运转以成为通过发动机80 的驱动力和电动发电机60的驱动力来行驶的混合动力行驶。
之后，在请求车辆减速的情况下，控制器100使电动发电机60作为发电机来驱动，将发电得到的电力经由逆变器10充入到电容器20。此时，在电容器20的充电状态成为满充电的情况下，控制器50也可以进行控制使得将电动发电机60发电得到的电力经由电力转换装置30充入到电池40。
接着，说明这样构成的充放电系统的动作。
电池40由锂离子二次电池构成。电池40若进行高输出、高频度的充放电、深度大的充放电则寿命会显著降低，因此需要进行控制来避免这样的充放电。电容器20由双电层电容器构成。电容器20的充电容量比电池40的充电容量小，但是不容易因高输出、高频度的充放电、深度大的充放电而导致寿命降低。
根据这种特性，例如在车辆起步时等要在短时间内向电动发电机60供给大的电力这样的情况下，优选的是使用被充入到电容器20的电力。另一方面，电容器20能够蓄积的电力有限，因此优选的是设置能够适当地利用被充入到电池40的电力的构造。
通过这样进行与电容器20及电池40各自的特性相应的适当的电力的充放电控制，能够在不使电池40的寿命降低的同时提高能量效率，能够提高车辆的燃料消耗率。
在如图1那样构成的充放电系统1中，控制器100基于车辆的状态来进行使电动发电机60驱动或使电动发电机60发电的控制。控制器50控制电力转换装置30来进行使电容器20与电池40之间相互充入和放出电力的控制。
控制器100例如基于驾驶员的加速、减速请求、车速以及电容器20的SOC来进行电动发电机60的驱动和发电，并且还控制发动机80的运转。
如接下来说明的那样，控制器50基于电容器20的SOC和电池40的SOC来进行控制，使得从电容器20向电池40进行充电或者从电池40向电容器20进行充电。
图2A、图2B以及图2C是本发明的实施方式的控制器50所具备的充放电 对应图的一例的说明图。图2A表示电容器20的充放电对应图，图2B和图2C分别表示电池40的充放电对应图。这些图2A、图2B以及图2C所示的充放电对应图用于控制器50的控制。
控制器50获取电容器20的电压来计算电容器20的SOC。同样地，获取电池40的电压和电流值来计算电池40的SOC。
控制器50根据计算出的电容器20的SOC和电池40的SOC，基于该图2所示的充放电对应图来控制电容器20和电池40的充放电。
图2A表示电容器20的充放电对应图。根据该充放电对应图，在电容器20的SOC大于规定值x3的情况下，将正侧的输出、即被充入到电容器20的电力经由电力转换装置30输出到电池40。另外，在电容器20的SOC小于规定值x2的情况下，将负侧的输出、即从电池40输出的电力经由电力转换装置30充入到电容器20。
此外，该电容器20的充放电对应图被设定成在SOC处于从规定值x3至大于x3的x4之间时输出随着SOC变大而变大，并被设定成在成为规定值x4时输出最大。它被设定成固定的斜率，目的在于防止电容器20与电池40之间的充放电电力因SOC的变化而急剧变化。
同样地，电容器20的充放电对应图被设定成在SOC处于从规定值x2至小于x2的x1之间时输入随着SOC变小而变大，并被设定成在成为规定值x1时输入最大。
图2B和图2C表示电池的充放电对应图。根据该充放电对应图，在电池40的SOC大于规定值X4的情况下，限制向正侧的输出、即限制从电容器20向电池40的充电。另外，在电池40的SOC小于规定值X1的情况下，限制负侧的输出。即，限制从电池40向电容器20的充电。
此外，与前述的电容器20的充放电对应图同样地，在图2B中，设定成在SOC处于从规定值X3至大于X3的X4之间时输出随着SOC变大而变小，并设定成在成为规定值X4时不进行输出、即不进行从电容器20向电池40的充电，其目的在于防止电容器20与电池40之间的充放电电力因SOC的变化而急剧 变化。
同样地，在图2C中，充放电对应图被设定成在SOC处于从规定值X2至小于X2的X1之间时负侧的输出随着SOC变小而变小，并被设定成在成为规定值X1时不进行输出、即不进行从电池40向电容器20的充电。
另外，将这些充放电对应图的充放电量的上限值设定为电力转换装置30的最大输出。
接着，说明这样构成的车辆的充放电系统1的动作。
图3是表示搭载有本发明的实施方式的充放电系统的车辆的运转状态和电容器20、电池40各自的SOC的状态的说明图。
该图3是说明车辆从停止状态重新起步、行驶一定时间后减速、之后停车的一系列车辆的状态的图。
控制器100在车辆处于停车状态时接收到驾驶员的起步请求的情况下进行使车辆起步的控制(时刻t1)。此时，不使发动机80驱动而使用被充入到电容器20的电力使电动发电机60驱动来使车辆起步。
由于车辆的起步而车速上升，被充入到电容器20的电力被电动发电机60消耗，电容器20的SOC逐渐降低。
然后，在电容器20的SOC变得小于图2A所示的充放电对应图的阈值x2(第三规定值)的情况下(时刻t2)，控制器50控制电力转换装置30来进行从电池40向电容器20进行充电的控制。由此，对于供给到电动发电机60的电力，不仅能够使用被充入到电容器20的电力，还能够使用被充入到电池40的电力。此外，此时，从电池40充入到电容器20的电力与从电容器20供给到电动发电机60的电力是平衡的，因此是与利用电池40的电力来驱动电动发电机60的控制同等的控制。
之后，控制器100基于驾驶员的加速请求、车速等，不仅驱动电动发电机60来进行运转，还驱动发动机80来进行运转(时刻t3)。例如，进行利用电动发电机60和发动机80双方的驱动力的运转或者进行仅利用发动机80的驱动力的运转。
在图3所示的例子中，在时刻t3从加速状态转变为车速大致固定的稳定行驶，由此在该时刻t3开始发动机80的驱动，利用电动发电机60和发动机80双方的驱动力来行驶。之后，在时刻t4停止电动发电机60的驱动，仅利用发动机80的驱动力来行驶。
在停止电动发电机60的驱动的情况下，不再消耗被充入到电容器20的电力，但是要将被充入到电池40的电力供给到电动辅机70，因此电池40的SOC逐渐降低。
然后，在电池40的SOC变得小于图5所示的电池20的SOC的阈值x1+α％的情况下(时刻t5)，控制器50控制电力转换装置30来从电容器20向电池40进行充电。由此，通过将被充入到电容器20的电力充入到电池40并将该电力供给到电动辅机70，能够扩大电池40能够放电的容量。此外，此时从电容器20充入到电池40的电力与从电池40供给到电动辅机70的电力是平衡的，因此是与利用电容器20的电力来驱动电动辅机70的控制同等的控制。
电容器20由于向电池40供给电力而SOC降低。之后，在电容器20的SOC变得小于规定值的情况下(时刻t6)，控制器100通过发动机80的驱动力使电动发电机60发电，以对电容器20充电。此外，在该情况下，根据需要停止从电容器20向电池40供给电力。
接着，例如通过由驾驶员踩踏制动器等来指示车辆的减速(时刻t7)。控制器100当检测出车辆被减速时，使电动发电机60作为发电机来发挥功能，通过伴随车辆的减速的驱动轮90的旋转来使电动发电机60发电，回收该再生电力。所回收的电力经由逆变器10被充入到电容器20。
电容器20的SOC由于电动发电机60的发电而上升，在变得大于图2A所示的充放电对应图中设定的阈值x3的情况下(时刻t8)，控制器50将被充入到电容器20的电力经由电力转换装置30充入到电池40。之后，车辆停车(时刻t9)。在该情况下，车辆停车后电容器20成为满充电状态，因此在下一次车辆起步时能够使用电容器20中蓄积的电力来驱动电动发电机。
通过进行这种控制，由作为第一充电装置的电容器20向电动发电机60进 行电力的供给、被充入发电电力，使作为同电容器20相独立地设置的第二充电装置的电池40与电容器20之间相互进行充放电，由此能够超越电容器20的特性地向电动发电机60进行电力的供给、被充入发电电力。
在此，在前述的时刻t5电池40的SOC降低的情况下，控制器50从电容器20向电池40进行充电。由此利用电池40来供给电动辅机70所需的电力。
此时，在电容器20的电力降低的情况下(时刻t6)，控制器100使电动发电机60作为发电机来驱动，将电动发电机60发电得到的电力供给到电容器220。该电力还被控制器50供给到电池40。
电池40需要稳定地向电动辅机70供给电力，因此需要充分确保电池40的充电容量。因此，在本发明中，通过如下的结构来控制电池40的充电。
图4是本发明的实施方式的电池40的SOC小于阈值x1+α％的情况下从电容器20向电池40充电的充电对应图的更加详细的说明图。
该图4示出以下情形：在电容器20的SOC降低并且电池40的SOC降低而变得小于阈值x1+α％的情况下，通过电动发电机60的发电向电容器20进行充电。
例如在图3的从时刻t5到t6的期间内电池40的SOC降低的情况下，控制器50首先将电容器20的电力供给到电池40。
之后，在时刻t6电容器20的SOC小于阈值x1+α％而通过电动发电机60进行充电的情况下，控制器100进行控制使得电动发电机60作为发电机来驱动，以将电动发电机60发电得到的电力充入到电容器20和电池40。
参照图5和图6来更详细地说明该充电控制。
图5是本发明的实施方式的电容器20和电池40的充放电控制的说明图。
控制器100基于电容器20的SOC来控制来自电动发电机60的充电电力。
在电容器20中，判定电容器20的SOC是否大于阈值X1，在大于的情况下输出正的结果。
另外，在电池40中，判定电池40的SOC是否小于针对阈值X1设定的下限值(X1+5％)，在小于的情况下输出正的结果。另外，判定电池40的SOC是否 为针对阈值X1设定的规定值(X1+10％)以上，在为以上的情况下输出正的结果。根据这些结果来设定滞后性(Hysteresis)。
然后，基于电容器20的结果和电池40的结果，在两者的值均为正的情况下，进行控制使得电力从电容器20充入到电池40。
图6是本发明的实施方式的控制器100和控制器50所执行的电动发电机60的发电以及电容器20、电池40的充放电控制的流程图。
在控制器100和控制器50中，按规定周期(例如每隔10ms)执行图6所示的流程图。
首先，控制器100判定电容器20的SOC是否小于在前述的控制中预先设定的充电阈值(步骤S10)。该充电阈值是用于决定是否将电动发电机60作为发电机来驱动以对电容器20充电的下限值。
在电容器20的SOC小于充电阈值的情况下，转移到步骤S20，控制器100利用发动机80的驱动力使电动发电机60作为发电机来驱动，将发电得到的电力供给到电容器20。在电容器20的SOC为充电阈值以上的情况下，结束本流程图的处理，返回到其它处理。
接着，在步骤S30中，控制器50判定电池40的SOC是否小于针对图2C的充放电对应图中的阈值X1设定的下限值。该下限值是对电池40能够输出的电力的阈值X1附加富余量(α％)所得的值，被设定为不会由于电池40的电力被消耗而小于阈值X1的程度的值。关于富余量(α％)，例如针对X1设为5％。在为下限值以上的情况下返回到步骤S10，重复处理。在小于下限值的情况下转移到步骤S40。
在步骤S40中，控制器50判定电容器的SOC是否为图2A的充放电对应图中的阈值x1以上。在电容器20的SOC小于阈值x1的情况下，无法从电容器20向电池40输出电力，因此返回到步骤S10，重复处理。在为阈值x1以上的情况下，转移到步骤S50。
在步骤S50中，控制器50控制电力转换装置30使得将由电动发电机60发电并充入到电容器20的电力供给到电池40。然后，在步骤S60中，从电容器 20向电池40供给电力，开始向电池40充电。
接着，在步骤S70中，控制器50判定电池40的SOC是否为针对图2C的充放电对应图中的阈值X1设定的规定值以上。该规定值是对电池40能够输出的电力的阈值X1附加富余量所得的值，被设定为电池40能够稳定地(stably)向电动辅机70供给电力的值。关于富余量，例如针对X1设为10％。在小于规定值的情况下返回到步骤S40，重复对电池40的充电控制。在电池40的SOC成为规定值以上的情况下，结束本流程图的处理，返回到其它处理。
通过进行这种控制，由作为第一充电装置的电容器20向电动发电机60进行电力的供给、被充入发电电力，使作为同电容器20相独立地设置的第二充电装置的电池40与电容器20之间相互进行充放电，由此能够超越电容器20的特性地向电动发电机60进行电力的供给、发电电力的充入。
特别是，在将电容器20的电力供给到电动发电机60时电容器20的充电容量不足的情况下，从作为第二充电装置的电池40向电容器20进行充电，由此能够超越电容器20所能够蓄积的电力的下限地驱动电动发电机60。另外，在从电动发电机60向电容器20充电时电容器20的充电容量达到上限的情况下，从电容器20向电池40进行充电，由此能够超越电容器20所能够蓄积的电力的上限地充电，因此能够有效地回收再生电力。
电容器20例如由双电层电容器构成，具有以下特性：能够进行高输出、高频度的充放电、深度大的充放电，另一方面，与电池40相比单位体积的充电容量小。与此相对，电池40具有以下特性：与电容器20相比能够充入大的电力，另一方面，无法进行高输出、高频度的充放电、深度大的充放电。
在本发明的实施方式中，通过如前述那样的结构和控制，在驱动电动发电机60时，首先使用被充入到电容器20的电力。电容器20能够进行高输出、高频度的充放电、深度大的充放电，因此，例如在车辆起步时、加速时等要在短期间内供给大的电力的情况下使用电容器20，或者在车辆减速时等在短期间内充入大的再生电力的情况下使用电容器20。
另一方面，电容器20能够蓄积的电力的上限小，因此存在例如在加速过 程中用尽被充入到电容器20的电力的可能性。在这种情况下，通过从电池40向电容器20进行充电，能够超越电容器20所能够蓄积的容量地驱动电动发电机60。
另外，在电动发电机60发电时，首先对电容器20充电，但是，电容器20能够蓄积的电力的上限小，因此存在例如在减速过程中向电容器20的充电达到上限的可能性。在这种情况下，通过从电容器20向电池40进行充电，能够超越电容器20所能够蓄积的容量地回收电动发电机60的再生电力。
因而，能够在不使电容器20的容量和电池40的容量大型化的同时进行充放电控制。特别是关于电池40，无需涵盖高输出、高频度的充放电，因此，例如能够选定抑制输出的上限而扩大了容量的电池等特定用途的电池，从而能够使尺寸小型化并且能够抑制成本。另外，通过使电池40的尺寸小型化来抑制重量，在搭载于车辆的情况下能够提高燃料消耗性能、装载性。
而且，控制器100通过电容器20经由逆变器10进行电动发电机60的驱动和发电。即，充放电系统1虽然具备充放电特性不同的电容器20和电池40，但是从逆变器10和对其进行控制的控制器100侧来看能够视为仅有单独的电容器20的系统。例如在以往切换充放电特性不同的多个充电装置来使用的情况下，逆变器10、控制器100需要切换控制，但是在本发明的实施方式中，通过这样构成而无需进行该切换，能够通过控制器50的控制来进行基于单一电池特性的鲁棒性(Robust)控制。
而且，在本发明的实施方式中，在电容器20的SOC降低到小于第一规定值的情况下，通过电动发电机60的发电对电容器20充电。此时，在电池40的SOC降低到小于下限值(第二规定值)的情况下，进行控制使得通过电动发电机60的发电向电容器20进行充电并且将该电力经由电力转换装置充入到电池40。由此，在电容器20和电池40的充电容量降低了的情况下，能够利用电动发电机60发电得到的电力将它们充电到适当的充电容量。
另外，在进行充电直到电池40的SOC为能够稳定地向电动辅机70供给电力的规定值(第三规定值)以上的情况下，停止向电池40的充电而仅进行向电 容器20的充电。通过这种控制，能够在确保电池40的充电容量的同时向电容器20充电，因此能够有效地利用电动发电机60发电得到的电力。通过这种控制能够有效地活用车辆的能量效率。
此外，在本发明的实施方式中，将电池40作为锂离子二次电池进行了说明，但是不限于此，也可以使用铅蓄电池、镍氢电池等其它二次电池。另外，电容器20不限于双电层电容器，也可以使用锂离子电容器等其它电容器。
以上说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式只不过示出了本发明的应用例的一部分，其主旨并不在于将本发明的技术范围限定于上述实施方式的具体结构。